DE602005004418T2

DE602005004418T2 - Ansteuerschaltung für einen elektrischen synchronmotor

Info

Publication number: DE602005004418T2
Application number: DE602005004418T
Authority: DE
Inventors: Sebastiano Acquaviva; Domenico Diacono
Original assignee: Emerson Appliance Motors Europe SRL
Current assignee: Askoll P&C SRL
Priority date: 2004-05-31
Filing date: 2005-05-25
Publication date: 2009-01-15
Anticipated expiration: 2025-05-26
Also published as: ES2296184T3; CN100539387C; US20070273323A1; CN1993878A; DE602005004418D1; WO2005117247A1; EP1774644B1; ITTO20040366A1; KR20070030236A; US7479755B2; EP1774644A1

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein einen Ansteuerschaltkreis für einen elektrischen Synchronmotor.
Im Besonderen betrifft die Erfindung einen Ansteuerschaltkreis für einen elektrischen Synchronmotor, der mit einer Spannung angesteuert wird, die von einer Wechselspannungsquelle geliefert wird, wobei der Motor aufweist:
einen Stator mit zumindest einer Wicklung und
einen Dauermagnet-Rotor, dem eine Stellungsfühler-Einrichtung zugeordnet ist, um ein elektrisches Signal zu liefern, das im Wesentlichen die Form einer Rechteckschwingung besitzt.
Genauer gesagt: die Erfindung betrifft einen Ansteuerschaltkreis, der enthält:
eine Einrichtung, um die Stromführung zu steuern, wobei diese Einrichtung im Wesentlichen zwischen den Anschlüssen der oben erwähnten Spannungsquelle in Serie mit zumindest einem Teil der Statorwicklung liegt und eine erste sowie eine zweite gesteuerte, in eine Richtung leitende elektronische Einrichtung enthält, wobei diese Einrichtungen antiparallel zueinander geschaltet sind und entsprechende Steuereingänge besitzen; und
eine Verarbeitungs- und Steuer-Stufe, die mit der Stellungsfühler-Einrichtung sowie mit der Spannungsquelle verbunden und so aufgebaut ist, dass sie die Steuereingänge der gesteuerten, in eine Richtung leitenden Einrichtungen auf vorgegebene Arten steuert.
Wenn ein elektrischer Synchronmotor gestartet wird, ist erwünscht, dass der durch die Statorwicklung fließende Strom rasch einen hohen Wert erreicht, damit während des Beschleunigens in kurzer Zeit ein hohes Drehmoment erzeugt werden kann, so dass der synchrone Zustand mit der Ansteuerspannung rasch erreicht werden kann. Andererseits darf der der Statorwicklung zugeführte Strom keinen übermäßig hohen Wert erreichen, da dies die Gefahr nach sich ziehen würde, dass es zu einer Entmagnetisierung der Dauermagnete des Rotors kommt.
Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen Ansteuerschaltkreis zu liefern, der einfach und wirtschaftlich herzustellen ist und der es ermöglicht, dass der Statorstrom so gesteuert wird, dass die Gefahr einer Entmagnetisierung der Rotormagnete verhindert wird.
Dieser sowie andere Gegenstände werden erfindungsgemäß mit einem Ansteuerschaltkreis erreicht, wie er oben beschrieben wurde, dadurch gekennzeichnet, dass die oben erwähnte Stufe für die Verarbeitung und Steuerung enthält:
eine Schutz-Stufe, die so aufgebaut ist, dass sie an ihrem Ausgang ein logisches Sperrsignal erzeugt, das bei jedem Nulldurchgang der Ansteuerspannung beginnt, wobei das Sperrsignal eine vorgegebene Dauer besitzt, die kürzer als ein Viertel der Periodendauer der Ansteuerspannung ist, und
eine Einschalt-Stufe, die mit der oben erwähnten Stellungsfühler-Einrichtung verbunden und so aufgebaut ist, dass sie die erste und die zweite in eine Richtung leitende Einrichtung synchron mit dem Rechteckschwingungssignal abwechselnd leitend macht, das von der oben erwähnten Stellungsfühler-Einrichtung geliefert wird;
wobei die Einschalt-Stufe mit der Schutz-Stufe so verbunden ist, dass eine Stromführung durch die in eine Richtung leitende Einrichtung, die immer ermöglicht wird, für die Dauer des Sperrsignals gesperrt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nun folgenden ausführlichen Beschreibung, die anhand eines Beispiels erfolgt und nicht einschränkend sein soll, sowie aus den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen zeigt:
1 die vereinfachte Darstellung des Aufbaus eines elektrischen Synchronmotors mit Dauermagnet-Rotoren;
2 das Blockschaltbild eines Ansteuerschaltkreises für einen Synchronmotor, wie ihn 1 zeigt;
3 ein detailliertes Schaltbild, in dem ein Teil eines Ansteuerschaltkreises gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt ist; und
4 eine Reihe von Diagrammen, in denen die Schwingungsformen von einigen Signalen dargestellt sind, die während des Betriebs des Schaltkreises von 3 erzeugt werden.
In 1 trägt ein elektrischer Wechselstrom-Synchronmotor als Ganzes die Bezugsziffer 1. Dieser Motor enthält auf bekannte Art einen Stator 2, der ein Paket von Trafoblechen 3 aufweist, die im Wesentlichen in Form des Buchstabens C ausgebildet sind. Weiters enthält der Stator 2 eine Wicklung 4, die rund um einen Teil des Pakets von Trafoblechen 3 angeordnet ist. Bei der gezeigten Ausführungsform besitzt die Statorwicklung 4 zwei Endanschlüsse 4a und 4b sowie einen Zwischenabgriff oder eine Anzapfung 4c.
Ein Dauermagnet-Rotor 5 liegt zwischen den Enden 3a und 3b des Pakets von Stator-Trafoblechen 3.
Bei der gezeigten Ausführungsform enthält der Rotor 5 zwei Magnetpole. Zusätzlich wird der Spalt, der zwischen der im Wesentlichen zylindrischen Fläche des Rotors 5 und den gegenüber liegenden Flächen der Polenden 3a und 3b des Stators entsteht, (auf bekannte Art) uneinheitlich groß hergestellt, um ein ausreichendes Anlaufdrehmoment für den Motor sicher zu stellen.
Ein elektrischer Stellungsfühler, der dem Rotor 5 des Motors zugeordnet ist, trägt in 1 die Bezugsziffer 6. Während des Betriebs kann dieser Fühler, der ortsfest angeordnet ist, ein Rechteckschwingungs-Signal liefern, das synchron mit der Drehung des Rotors 5 verläuft.
Bei diesem Fühler 6 kann es sich beispielsweise um einen Hall-Effekt Fühler handeln.
In 2 trägt ein Ansteuerschaltreis für einen elektrischen Synchronmotor, wie er oben beschrieben wurde, als Ganzes die Bezugsziffer 10. Der Schaltkreis 10 enthält zwei Anschlüsse für die Ansteuerspannung N, P, die so aufgebaut sind, dass sie mit einer Wechselspannungsquelle verbunden werden können, beispielsweise mit einem gewöhnlichen Stromnetz mit 50 (60) Hz.
Bei der hier beispielhaft gezeigten Ausführungsform enthält der Ansteuerschaltkreis 10 ein Triac 11, das zwischen den Anschlüssen N, P mit der Statorwicklung 4 in Serie liegt.
Der Ansteuerschaltkreis 10 enthält weiters eine erste und eine zweite gesteuerte, in eine Richtung leitende elektronische Schalteinrichtung, die mit den Bezugsziffern 12 und 13 versehen sind und zwischen dem Anschluss der Ansteuerspannung N und dem zwischenabgriff oder der Anzapfung 4c der Statorwicklung 4 antiparallel geschaltet sind.
Bei den Einrichtungen 12 und 13 handelt es sich beispielsweise um Thyristor-Bausteine, die Steuereingänge besitzen, die mit den Bezugszeichen 12a bzw. 13a versehen sind.
In 2 trägt eine Verarbeitungs- und Steuer-Stufe, die zwei Eingänge besitzt, die mit den Anschlüssen der Ansteuerspannung N und P verbunden sind, als Ganzes die Bezugsziffer 14.
Die Stufe 14 besitzt einen weiteren Eingang, der mit dem dem Rotor 5 zugeordneten Stellungsfühler 6 verbunden ist, und einen Ausgang, der am Steueranschluss oder Eingang des Triac 11 liegt, sowie zwei weitere Ausgänge, die mit den Steuereingängen 12a, 13a der gesteuerten, in eine Richtung leitenden Einrichtungen 12 und 13 verbunden sind.
Die Verarbeitungs- und Steuer-Stufe 14 enthält weiters einen Logikschaltkreis, der in 2 und 3 als Ganzes die Bezugsziffer 15 trägt. Während des Betriebs steuert dieser Logikschaltkreis die Steuereingänge 12a, 13a der in eine Richtung leitenden Einrichtungen 12 und 13 als Funktion des Signals, das vom Stellungsfühler 6 geliefert wird, sowie der Nulldurchgänge der Ansteuerspannung zwischen den Anschlüssen N und P an.
Es ist ersichtlich, dass die Stufe 15 bei dem in 3 ausführlich gezeigten Beispiel einer Ausführungsform im Wesentlichen eine Schutz-Stufe 16 sowie eine zugeordnete Einschalt-Stufe 17 enthält.
Die Schutz-Stufe 16 enthält eine Rechteckformer-Stufe 18, die als Eingang die Ansteuerspannung V erhält. Bei der Stufe 18 handelt es sich im Besonderen um eine Abtaststufe für die Nulldurchgänge der Spannung V, wobei sie an ihrem Ausgang ein Rechteckschwingungs-Signal VSQ liefert, dessen Verlauf in 4 beispielhaft im zweiten Diagramm von oben unterhalb jenes Diagramms dargestellt ist, das den Verlauf der Ansteuerspannung V zeigt.
Der Ausgang der Stufe 18 ist direkt mit einem ersten Eingang eines EX-NOR Gatters 19 verbunden.
Der Ausgang der Stufe 18 liegt weiters über einen Inverter 21 an einer Sperrsignal-Generatorstufe 20.
Die Stufe 20 empfängt an ihrem Eingang ein Signal VSQ, dessen Verlauf dem Verlauf des Signals VSQ im Wesentlichen invers ist und das in 4 das dritte Diagramm von oben zeigt. Diese Stufe 20, bei der es sich beispielsweise um eine monostabile Stufe handeln kann, liefert an ihrem Ausgang ein Rechteckschwingungs-Signal, das in 3 und 4 das Bezugszeichen A trägt und dessen vordere und hintere Flanke zu den entsprechenden Flanken des Signals VSQ um eine Zeitspanne t₀ verzögert sind.
Der Ausgang der Stufe 20 liegt über einen weiteren Inverter, der in 3 die Bezugsziffer 22 trägt, an einem zweiten Eingang des EX-NOR Gatters 19. Während des Betriebs liegt daher an diesem weiteren Eingang des EX-NOR Gatters 19 ein Signal, das mit dem Bezugszeichen B versehen und mit dem negierten Signal A identisch ist.
Das Signal am Ausgang des EX-NOR Gatters 19 trägt in 3 und 4 das Bezugszeichen C.
Wie später noch ausführlich gezeigt wird, handelt es sich bei dem am Ausgang der Schutz-Stufe 16 auftretenden Signal C um ein Sperrsignal, das die Ausgänge der Einschalt-Stufe 17 für aufeinander folgende Zeitintervalle sperren kann, von denen jedes die Dauer t₀ besitzt.
Die Einschalt-Stufe 17 besitzt einen ersten Eingang 17a, der mit dem Stellungsfühler 6, der dem Rotor 5 des Motors zugeordnet ist, sowie einen zweiten Eingang 17b, der am Ausgang des EX-NOR Gatters 19 liegt.
Die Einschaltstufe 17 ist so aufgebaut, dass die beiden gesteuerten, in eine Richtung leitenden Einrichtungen 12 und 13 synchron mit dem vom Stellungsfühler 6 gelieferten Rechteckschwingungs-Signals H abwechselnd Strom führen.
Bei der in 3 beispielhaft gezeigten Ausführungsform enthält die Einschalt-Stufe 17 zwei UND-Gatter, die mit den Bezugsziffern 23 und 24 versehen sind und von denen jedes einen Eingang, der am Ausgang des EX-NOR Gatters 19 liegt, sowie einen zweiten Eingang besitzt, der im Falle des Gatters 23 über einen Inverter 25 und im Falle des Gatters 24 direkt mit dem Stellungsfühler 6 verbunden ist.
Im Betrieb bestimmt das vom Stellungsfühler 6 gelieferte Signal H, welche der beiden in eine Richtung leitenden Einrichtungen 12 und 13 zu jedem Zeitpunkt Strom führen kann. Andererseits bestimmt die Schutz-Stufe 16 mit Hilfe ihres Sperrsignals C die Verzögerung, nach der der Stromfluss in der gesteuerten leitenden Einrichtung 12 oder 13 (und damit in der Statorwicklung) beginnt, wann immer diese im Hinblick auf den letzten Nulldurchgang der Ansteuerspannung V eingeschaltet wird.
Diese Verzögerung, die im Zusammenhang mit 4 oben mit t₀ bezeichnet wurde, ist herkömmlich kleiner als ein Viertel der Periodendauer der Ansteuerspannung. Sie kann auch konstant und damit festgelegt sein, oder sie kann auf vorgegebene Art während des anfänglichen Beschleunigens des Motors mit der Zeit kleiner werden, um ein falsches Umschalten zu verhindern, das dazu führen kann, dass ein negatives mechanisches Drehmoment erzeugt wird.
In jedem Fall wird der Minimalwert der Verzögerungszeit t₀ so gewählt, dass der im Motor 1 fließende Strom so groß ist, dass er keine Gefahr für die Entmagnetisierung der Rotormagnete erzeugt.
Bei dem oben im Zusammenhang mit 2 bis 4 beschriebenen Beispiel der Ausführungsform handelt es sich beim Ansteuerschaltkreis 10 um einen bestimmten Schaltkreis, bei dem das Triac 11 beim Anlaufen anfangs gesperrt wird, wobei der Strom durch die in eine Richtung leitenden Einrichtungen 12 und 13 nur zu jenem Teil der Statorwicklung 4 geliefert wird, der zwischen den Anschlüssen 4b und 4c liegt. Durch diese Anordnung tritt dem Stromfluss während der Anlaufphase des Motors eine geringere Impedanz entgegen und der Strom kann höhere Werte erreichen.
Am Ende der Anlaufphase kann der Strom durch die gesamte Statorwicklung 4 geschickt werden, da das Triac 11 den Motor ansteuert.
Die Grundlagen der Lösung gemäß der Erfindung, wie sie oben beschrieben wurde, können jedoch auch auf Ansteuerschaltkreise angewandt werden, bei denen kein Triac 11 vorhanden ist und bei denen auch am Anfang der Anlaufphase des Motors die gesamte Statorwicklung über die beiden gesteuerten leitenden Einrichtungen angesteuert wird, die antiparallel geschaltet sind.
Es ist ersichtlich, dass die Grundlage der Erfindung beibehalten wird, wobei Anwendungsformen und Details im Aufbau gegenüber der Beschreibung und den Zeichnungen, die lediglich beispielhaft und nicht einschränkend sein sollen, weit verändert werden können, ohne dadurch vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, wie er in den beiliegenden Ansprüchen festgelegt ist.

Claims

Ansteuerschaltkreis (10) für einen elektrischen Synchronmotor (1), der mit der Spannung (V) angesteuert wird, die von einer Wechselspannungsquelle geliefert wird, wobei der Synchronmotor aufweist: einen Stator (2) mit zumindest einer Wicklung (4) und einen Dauermagnet-Rotor (5), dem eine Stellungsfühler-Einrichtung (6) zugeordnet ist, um ein elektrisches Signal (H) zu liefern, das im Wesentlichen die Form einer Rechteckschwingung besitzt; wobei der Ansteuerschaltkreis (10) enthält: eine Einrichtung zur Steuerung der Stromführung (11–13), die im Wesentlichen zwischen den Anschlüssen (N, P) der Spannungsquelle in Serie mit zumindest einem Teil der Statorwicklung (4) liegt und eine erste sowie eine zweite gesteuerte, in eine Richtung leitende elektronische Einrichtung (12, 13) enthält, wobei diese Einrichtungen antiparallel zueinander geschaltet sind und entsprechende Steuereingänge (12a, 13a) besitzen; und eine Verarbeitungs- und Steuer-Stufe (14), die mit der Stellungsfühler-Einrichtung (6) sowie mit der Spannungsquelle verbunden und so aufgebaut ist, dass sie die Einrichtung zur Steuerung der Stromführung (11–13) auf vorgegebene Arten steuert; wobei der Ansteuerschaltkreis (10) dadurch gekennzeichnet ist, dass die Verarbeitungs- und Steuer-Stufe (14) enthält: eine Schutz-Stufe (16), die so aufgebaut ist, dass sie an ihrem Ausgang ein logisches Sperrsignal (C) erzeugt, das bei jedem Nulldurchgang der Ansteuerspannung für den Motor (V) beginnt, wobei das Sperrsignal (C) eine bestimmte Dauer (t₀) besitzt, die kleiner als ein Viertel der Periodendauer der Ansteuerspannung (V) ist; und eine Einschalt-Stufe (17), die mit der Stellungsfühler-Einrichtung (6) verbunden und so aufgebaut ist, dass die erste und die zweite gesteuerte leitende Einrichtung (12, 13) synchron mit dem Rechteckschwingungs-Signal (H), das von der Stellungsfühler-Einrichtung (6) geliefert wird, abwechselnd Strom führen; wobei die Einschalt-Stufe (17) mit der Schutz-Stufe (16) so verbunden ist, dass die Stromführung durch die gesteuerten leitende Einrichtungen, die zu jedem Zeitpunkt eingeschaltet sind (12, 13), für die Dauer (t₀) des Sperrsignals (C) gesperrt wird.
Ansteuerstufe gemäß Anspruch 1, wobei die Schutz-Stufe so aufgebaut ist, dass sie an ihrem Ausgang ein Sperrsignal (C) erzeugt, dessen Dauer (t₀), beginnend mit jedem Nulldurchgang der Ansteuerspannung (V), mit der Zeit auf vorgegebene Arten kleiner wird.
Ansteuerschaltkreis gemäß irgendeinem der bisherigen Ansprüche, wobei die Einschalt-Stufe (17) ein Paar von UND-Gattern (23, 24) enthält, von denen jedes einen ersten Eingang, der mit dem Ausgang der Schutz-Stufe (16) verbunden ist, sowie einen zweiten Eingang besitzt, der in einem Fall direkt und im anderen Fall über einen logischen Inverter (25) am Ausgang der Stellungsfühler-Einrichtung (6) liegt.
Ansteuerschaltkreis gemäß irgendeinem der bisherigen Ansprüche, wobei die Schutz-Stufe einen Schaltkreis enthält, um die Nulldurchgänge (18) der Ansteuerspannung (V) abzutasten, die während des Betriebs an den Motor (1) gelegt wird, wobei der Ausgang dieses Schaltkreises mit einem ersten und mit einem zweiten Eingang einer EX-NOR Logikstufe (19) in einem Fall direkt und im anderen Fall über einen Schaltkreis verbunden ist, der eine Verzögerungseinrichtung (20) enthält.
Ansteuerschaltkreis gemäß irgendeinem der bisherigen Ansprüche, wobei die Schutz-Stufe (16) eine Rechteckformer-Stufe (18) enthält, die die Ansteuerspannung (V) für den Motor immer dann zu einem Rechteck formt, wenn diese Spannung (V) vor oder nach jedem Nulldurchgang der Ansteuerspannung (V) ungleich Null ist.