EP0947043A1 - Leistungselektronik für einen synchronmotor - Google Patents

Leistungselektronik für einen synchronmotor

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Publication number
EP0947043A1
EP0947043A1 EP97951871A EP97951871A EP0947043A1 EP 0947043 A1 EP0947043 A1 EP 0947043A1 EP 97951871 A EP97951871 A EP 97951871A EP 97951871 A EP97951871 A EP 97951871A EP 0947043 A1 EP0947043 A1 EP 0947043A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
phase winding
synchronous motor
residual energy
energy
rotor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP97951871A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Dijkstra
Peter Richter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
STMicroelectronics GmbH
AEG Hausgeraete GmbH
Original Assignee
AEG Hausgeraete GmbH
SGS Thomson Microelectronics GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by AEG Hausgeraete GmbH, SGS Thomson Microelectronics GmbH filed Critical AEG Hausgeraete GmbH
Publication of EP0947043A1 publication Critical patent/EP0947043A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/08—Reluctance motors
    • H02P25/086—Commutation
    • H02P25/089—Sensorless control

Definitions

  • the invention relates to power electronics for a synchronous motor, in particular synchronous motor in permanent magnet or reluctance design, regardless of the number of poles and phases.
  • Synchronous motors are used in a variety of technical applications, such as B. in the household appliance, automotive and tool industry. In many places, they have prevailed over traditionally used universal motors because they have considerable advantages over the universal motors in terms of noise development, service life, weight and volume and the simplification and standardization of their manufacturing process, and they are also less expensive to manufacture.
  • the premagnetized rotor (permanent magnet or reluctance) is driven by a magnetic field generated in the stator windings in synchronism with the frequency of the driving current in the magnetic field thus generated.
  • the object of the invention is to utilize this residual energy, which is currently not usable, cheaply.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the circuit diagram of a first variant for transferring the residual energy
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the circuit diagram of a second variant for transferring the residual energy
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the circuit diagram of a third variant for transferring the residual energy
  • Fig. 4 is a schematic representation of the circuit diagram of a fourth variant for transferring the residual energy.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of the circuit diagram of a power electronics for a two-pole synchronous motor.
  • Two phase windings 2, 4 are alternately connected to a voltage source (not shown here) via a rectifier bridge, a so-called Graetz bridge 6, and switches SI and S2 connected.
  • An intermediate circuit capacitor C2 is connected in parallel with the phase windings 2 and 4.
  • the magnetic field energy stored in its inductance during the energization of one of the two phase windings 2, 4, i. H. the residual electrical energy which is not converted into kinetic energy during the energization is transferred by means of transformer coupling, in the present case by means of a yoke 8, when switching to the other phase winding in its inductance.
  • transformer coupling in the present case by means of a yoke 8
  • a large part of the residual energy that cannot be converted into kinetic energy is shifted recuperatively from one phase winding 2, 4 and back again.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the circuit diagram of a second variant that is alternative to the variant according to FIG. 1 or that can be combined with this.
  • a design-related and / or a control-related dead time when an energized inductance, ie one of the two phase windings 2, 4 is switched off, an overvoltage is brought about in the switches SI and S2.
  • These switches can be designed, for example, as IGBTs, MOSFETs or bipolar transistors.
  • the overvoltage that occurs is transferred via the diode D1 or D2 into an RC relief network Rl, Cl that is used for both switches SI, S2.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the circuit diagram of a third variant.
  • This variant which has less loss than the second variant, shows two demagnetizing windings 10, 12 which are strictly coupled to the phase windings 2, 4. These demagnetization windings 10, 12 transfer the Residual energy not converted as kinetic energy back into the intermediate circuit capacitor C2 by means of transformer coupling.
  • the diodes D3, D4 are only conductive during the demagnetization phase, which prevents an undesired (loss) energy flow through the
  • Demagnetization phase 10, 12 occurs during the energization phase of phase windings 2, 4.
  • Fig. 4 shows the circuit diagram of a fourth variant, which is particularly preferred when operating the engine with comparatively large powers.
  • this circuit diagram is supplemented by two further circuit breakers S3, S4 and four demagnetizing diodes D5 to D6.
  • These additional circuit elements act as two asymmetrical half bridges each associated with one of the two phase windings 2, 4. Through the use of these two half bridges, the entire residual energy, which has not been converted into kinetic energy and which is stored in the phase winding 2, 4 that is no longer energized, is fed back into the input capacitor C2, also called the intermediate circuit capacitor, and is thus available to the other, currently energized phase winding 2 or 4 are available.
  • the power electronics can also be upgraded in such a way that a speed change is caused by targeted blanking of certain current supply sequences is made possible.
  • a control unit not shown here, as a discrete, hardware-based solution or a program run as a software-based solution in a microcontroller, fades out the percentage of current supply sequences requested at the control unit.
  • An energization sequence consists of the successive energization of the two phase windings 2, 4. For example, every tenth energization sequence is hidden for a required output of 90% of the total output. This can be accomplished, for example, by appropriate control of the switches SI and S2 designed as semiconductor valves.
  • the torque of the synchronous motor is reduced. This has the effect that the speed changes due to the applied load in accordance with the specific torque-speed characteristic.
  • Another advantage of the fourth variant is that, as an alternative, speed control is made possible by pulse width modulation of a transistor of the transistor pair that is energized relative to the motor frequency.
  • the PWM current is freewheeling via one of the two freewheeling diodes in the branch that is energized.
  • the effective current in the energized phase winding is reduced by the PWM and thus the energy supplied to the synchronous motor. A speed change thus takes place in the same way as in the first procedure described above.
  • the design of a necessary duty cycle can be effected by using a microcontroller.
  • a sensor can be provided as a Hall probe or optically or mechanically.
  • the position detection starts the energization sequence for the phase windings 2, 4 depending on the rotor position determined. Due to the design properties, the time spans between the time of energization and the cheapest stator-rotor position, which runs into the energization, for starting and the preferred operating point at high speed differently.
  • the microcontroller adjusts this time difference between the stator-rotor position and the time of energization according to an engine-specific operating point table according to the actual speed.
  • a table can be stored as a map or as a speed-dependent functional relationship, for example as a rational function, in a memory element integrated in the microcontroller.
  • the control unit e.g. B. the microcontroller and the entire power section, can also be arranged together as a hybrid circuit on aluminum substrate or film, but can also be mounted as a hybrid in a housing.

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Abstract

Bei einem Synchronmotor wird der vormagnetisierte Rotor (Permanent-Magnet oder Reluktanz) durch ein in den Statorwicklungen erzeugtes Magnetfeld synchron zu der Frequenz des treibenden Stroms im so erzeugten Magnetfeld angetrieben. Dabei tritt jedoch das Problem auf, dass die in einer Statorwicklung gespeicherte magnetische Feldenergie nicht ausschliesslich in Bewegungsenergie des Rotors umsetzbar ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese derzeit nicht nutzbare Restenergie günstig zu verwerten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelösst, dass eine Leistungselektronik für einen Synchronmotor vorliegt, bei der Mittel vorgesehen sind, die bei der Bestromung einer Phasenwicklung in dessen Induktivität gespeicherte, aber nicht in Bewegungsenergie umgesetzte Restenergie beim Umschalten auf die andere Phasenwicklung auf diese andere Phasenwicklung transferieren. Auf diese Weise geht diese Restenergie nicht als Verlustleistung verloren, sondern wird abzüglich der nicht vermeidbaren physikalisch bedingten Verluste erneut zum Antrieb des Rotors, dieses Mal jedoch bei der jeweils anderen Phasenwicklung, genutzt.

Description

Beschreibung
Leistungselektronik für einen Synchron otor
Die Erfindung bezieht sich auf eine Leistungselektronik für einen Synchronmotor, insbesondere Synchronmotor in Permanentmagnet- oder Reluktanzausführung unabhängig von der Pol- und Phasenzahl.
Synchronmotoren werden in einer Vielzahl von technischen Anwendungen eingesetzt, wie z. B. in der Hausgeräte-, Automobil- und Werkezeugindustrie. Vielerorts haben sie sich durchgesetzt gegen traditionell eingesetzte Universalmotoren, weil sie bezüglich der Geräuschentwicklung, der Lebensdauer, des Gewichts und Volumens und der Vereinfachung und Standardisierung ihres Fertigungsprozesses erhebliche Vorteile gegenüber den Universalmotoren aufweisen und zudem kostengünstiger herstellbar sind.
Bei einem Synchronmotor wird der vormagnetisierte Rotor (Permanent -Magnet oder Reluktanz) durch ein in den Statorwicklungen erzeugtes Magnetfeld synchron zu der Frequenz des treibenden Stroms im so erzeugten Magnetfeld angetrieben. Dabei tritt jedoch das Problem auf, daß die in einer Statorwicklung gespeicherte magnetische Feldenergie nicht ausschließlich in Bewegungsenergie des Rotors umsetzbar ist .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese derzeit nicht nutzbare Restenergie günstig zu verwerten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Leistungselektronik für einen Synchronmotor vorliegt, bei der Mittel vorgesehen sind, die bei der Bestromung einer Phasenwicklung in dessen Induktivität gespeicherte, aber nicht in Bewegungsenergie umgesetzte Restenergie beim Umschalten auf die andere Phasenwicklung auf diese andere Phasenwicklung transferieren .
Auf diese Weise geht diese Restenergie nicht als Verlustleistung verloren, sondern wird abzüglich der nicht vermeidbaren physikalisch bedingten Verluste erneut zum Antrieb des Rotors, dieses Mal jedoch bei der jeweils anderen Phasenwicklung, genutzt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Ansprüchen zu entnehmen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung das Schaltbild einer ersten Variante zur Transferierung der Restenergie;
Fig. 2 in schematischer Darstellung das Schaltbild einer zweiten Variante zur Transferierung der Restenergie;
Fig. 3 in schematischer Darstellung das Schaltbild einer dritten Variante zur Transferierung der Restenergie; und
Fig. 4 in schematischer Darstellung das Schaltbild einer vierten Variante zur Transferierung der Restenergie.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung das Schaltbild einer Leistungselektronik für einen zweipoligen Synchronmotor. Zwei Phasenwicklungen 2, 4 werden über eine Gleichrichterbrücke, eine sog. Graetz-Brücke 6, und Schalter SI und S2 alternierend an eine hier nicht weiter dargestellte Spannungsquelle angeschlossen. Parallel zu den Phasenwicklungen 2 und 4 ist ein Zwischenkreiskondensator C2 geschaltet.
Die während der Bestromung einer der beiden Phasenwicklungen 2 , 4 in deren Induktivität gespeicherte magnetische Feldenergie, d. h. die während der Bestromung nicht in Bewegungsenergie umgesetzte elektrische Restenergie wird mittels transformatorischer Kopplung, vorliegend mittels eines Jochs 8, beim Umschalten auf die jeweils andere Phasenwicklung in dessen Induktivität transferiert. Sieht man daher einmal von den Ummagnetisierungsverlusten im Joch 8 und den ohmschen Verlusten in den Phasenwicklungen 2, 4 ab, so wird doch ein großer Teil der nicht in Bewegungsenergie umsetzbaren Restenergie rekuperativ von einer in die andere Phasenwicklung 2, 4 und wieder zurück geshiftet.
Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung das Schaltbild einer zur Variante gemäß Fig. 1 alternativen oder mit dieser kombinierbaren zweiten Variante. Aufgrund einer konstruktiv bedingten und/oder einer ansteuerbedingten Totzeit wird beim Abschalten einer bestromten Induktivität, also einer der beiden Phasenwicklungen 2 , 4 , eine Überspannung in den Schaltern SI bzw. S2 bewirkt. Diese Schalter können beispielsweise als IGBT's, MOSFETs oder Bipolar-Transistoren ausgeführt sein. Die auftretende Überspannung wird über die Diode Dl bzw. D2 in ein für beide Schalter SI, S2 gleichsam verwendete RC- Entlastungsnetzwerk Rl, Cl transferiert.
Alternativ oder zusätzlich zu dieser zweiten Variante zeigt die Fig. 3 in schematischer Darstellung das Schaltbild einer dritten Variante. Diese gegenüber der zweiten Variante verlustärmere Variante zeigt zwei Entmagnetisierungswicklungen 10, 12, die streng an die Phasenwickungen 2, 4 gekoppelt sind. Diese Entmagnetisierungswicklungen 10, 12 transferieren die nicht als Bewegungsenergie umgesetzte Restenergie mittels transformatorischer Kopplung in den Zwischenkreiskondensator C2 zurück. Die Dioden D3 , D4 sind nur während der Entmagnetisierungsphase leitend, wodurch verhindert ist, daß ein unerwünschter (Verlust) Energiefluß über die
Entmagnetisierungsphase 10, 12 während der Bestromungsphase der Phasenwicklungen 2, 4 auftritt.
Fig. 4 zeigt das Schaltbild einer vierten Variante, die besonders beim Betreiben des Motors mit vergleichsweise großen Leistungen bevorzugt ist. Gegenüber dem in Fig. 1 gzeigten Schaltbild ist dieses Schaltbild um zwei weitere Leistungsschalter S3 , S4 und vier Entmagnetisierungsdioden D5 bis D6 ergänzt. Dabei wirken diese zusätzlichen Schaltungselemente (S3, S4 , D5 bis D8) als zwei jeweils einer der beiden Phasenwicklungen 2, 4 zugeordneten asy etrischen Halbbrücken. Durch die Verwendung dieser beiden Halbbrücken wird die gesamte Restenergie, die nicht in Bewegungsenergie umgesetzt wurde und die in der jeweils gerade nicht mehr bestromten Phasenwicklung 2, 4 gespeichert ist, in den Eingangskondensator C2 , auch Zwischenkreiskondensator genannt, zurückgeleitet und steht damit der jeweils anderen, aktuell bestromten Phasenwicklung 2 bzw. 4 zur Verfügung. Dabei sind als Verluste nur die in den Streuinduktivitäten ohnehin nicht vermeidbaren Verluste hinzunehmen. Selbst eine eventuell vorhandene schlechte Kopplung beider Phasenwicklungen 2, 4 hat damit keinen verlustbehafteten Einfluß. Ebenfalls kann die in der zweiten und dritten Variante vorgesehene Zusatzbeschaltung entfallen. Ein besonderer Vorteil dieser vierten Variante ergibt sich weiter darin, daß die Phasenwicklungen 2, 4 ohne Totzeit bestromt werden können.
Unabhängig von dem Vorangesagten kann die Leistungselektronik auch derart ertüchtigt sein, daß eine Drehzahlveränderung durch ein gezieltes Austasten bestimmter Bestromungssequenzen ermöglicht ist. Eine hier nicht weiter dargestellte Steuereinheit als diskrete, hardwaremäßige Lösung oder ein Programmablauf als softwaremäßige Lösung in einem MikroController blendet entsprechend den an der Steuereinheit angeforderten prozentualen Anteil der Bestromungssequenzen aus . Eine Bestromungssequenz besteht aus der aufeinanderfolgenden Bestromung der beiden Phasenwicklungen 2, 4. So wird beispielsweise für eine geforderte Leistung von 90 % der Gesamtleistung jede zehnte Bestromungssequenz ausgeblendet. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Steuerung der als Halbleiterventile ausgebildeten Schalter SI und S2 vollzogen werden. Infolge der Reduzierung der angebotenen Leistung reduziert sich das Drehmoment des Synchronmotors. Dies wirkt sich dahingehend aus, daß sich aufgrund der angelegten Last die Drehzahl entsprechend der spezifischen Drehmoment-Drehzahl- Kennlinie ändert.
Ein weiterer Vorteil der vierten Variante besteht darin, daß alternativ eine Drehzahlregelung durch eine gegenüber der Motorfrequenz hochfrequente Pulsweitenmodulation eines Transistors des jeweils bestromten Transistorpaares ermöglicht ist. Der Freilauf des Stromes der PWM erfolgt über eine der beiden Freilaufdioden im jeweils bestromten Zweig. Der Effektivstrom in der bestromten Phasenwicklung wird durch die PWM reduziert und somit die dem Synchronmotor zugeführte Energie. Damit erfolgt eine Drehzahländerung auf die gleiche Weise wie bei der vorstehend beschriebenen ersten Vorgehensweise .
Desweiteren kann die Gestaltung eines notwendigen Tastverhältnisses durch den Einsatz eines Mikrocontrollers bewirkt werden. Hierbei ist ein hier nicht weiter dargestellter Sensor erforderlich, der die Lage des Rotors relativ zum Stator detektiert. Ein derartiger Sensor kann gemäß dem Stand der Technik als Hall-Sonde oder auch optisch oder mechanisch vorgesehen sein. Die Lageerkennung startet in Abhängigkeit von der festgestellten Rotorpostion die Bestromungssequenz für die Phasenwickungen 2, 4. Bedingt durch konstruktive Eigenschaften sind die Zeitspannen zwischen Bestromungszeitpunkt und der günstigsten, in die Bestromung hineinlaufenden Stator-Rotor- Position für den Anlauf und den bevorzugten Arbeitspunkt bei hoher Drehzahl unterschiedlich. Der MikroController regelt entsprechend der Ist-Drehzahl diesen Zeitunterschied zwischen der Stator-Rotor-Postion und dem Bestromungszeitpunkt entsprechend einer motorspezifischen Arbeitspunkttabelle nach. Eine derartige Tabelle kann als Kennfeld oder auch als drehzahlabhängiger funktionaler Zusammenhang, beispielsweise als rationale Funktion, in einem im MikroController integrierten Speicherelement abgelegt sein.
Die Steuereinheit, z. B. der MikroController und der gesamte Leistungsteil, kann auch zusammen als Hybridschaltung auf Aluminiumsubstrat oder -Folie angeordnet, aber auch als Hybrid in einem Gehäuse montiert sein.
ERSATZBUTT(REGEL26)

Claims

Ansprüche
1. Leistungselektronik für einen Synchronmotor, wobei Mittel vorgesehen sind, die bei der Bestromung einer Phasenwicklung
(2, 4) in dessen Induktivität gespeicherte, aber nicht in Bewegungsenergie umgesetzte Restenergie beim Umschalten auf die jeweils andere Phasenwicklung (2, 4) auf diese Phasenwicklung
(2, 4) transferieren.
2. Leistungselektronik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Restenergie mittels transformatorischer Kopplung, insbesondere über ein Joch (8) , transferiert wird.
3. Leistungselektronik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht transformierbare Restenergie in ein RC-Glied (Rl, Cl) transferiert wird.
4. Leistungselektronik nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß den Hauptwiclungen, (2, 4) der Phasen enggekoppelte Entmagnetisierungswicklungen (10, 12) zugeordnet sind, die die Restenergie in einen Zwischenkreiskondensator (C2) transferieren.
5. Leistungselektronik für einen Synchronmotor, bei der Mittel zur gezielten Austastung bestimmter Bestromungssequenzen der mindestens zwei Phasen vorgehen sind.
EP97951871A 1996-12-21 1997-11-08 Leistungselektronik für einen synchronmotor Withdrawn EP0947043A1 (de)

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DE29622254U DE29622254U1 (de) 1996-12-21 1996-12-21 Leistungselektronik für einen Synchronmotor
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