AT522725B1

AT522725B1 - Motortreiber

Info

Publication number: AT522725B1
Application number: ATA253/2019A
Authority: AT
Inventors: Himmelstoss Dipl Ing Dr Felix
Original assignee: Fachhochschule Technikum Wien
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2025-09-15
Also published as: AT522725A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Motortreiberstufe, bestehend aus drei strombidirektionalen Schaltern (V1, V2, V3), bestehend aus je einem aktiven Schalter (S1, S2, S3) und je einer antiparallelen Diode (D1, D2, D3), einem ersten (C1) und einem zweiten Kondensator (C2), einer Spule (L), einer positiven (1) und einer negativen Eingangsklemme (2), an denen die Eingangsspannung geschaltet ist, einer positiven (3) und einer negativen Ausgangsklemme (4), an denen die Maschine (M) geschaltet ist. Die Schaltung ermöglicht Zweiquadrantenbetrieb und hat ein sehr hohes Gleichspannungsübersetzungsverhalten.

Description

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Beschreibung

MOTORTREIBER

[0001] Die Erfindung betrifft eine Motortreiberstufe, bestehend aus drei strombidirektionalen Schaltern (V4, V2, V3), bestehend aus je einem aktiven Schalter (S+, S2, S:) und je einer antiparallelen Diode (D+, D2, Ds), einem ersten (C+) und einem zweiten Kondensator (C2), einer Spule (L), einer positiven (1) und einer negativen Eingangsklemme (2), an denen die Eingangsspannung geschaltet ist, einer positiven (3) und einer negativen Ausgangsklemme (4), an denen die Maschine (M) geschaltet ist.

[0002] Die hier dargestellte Motortreiberstufe eignet sich für alle Arten von Gleichstrommaschinen besonders dann, wenn die Eingangsspannung stark hochgesetzt werden muss.

[0003] Die Bilder zeigen das Grundkonzept der Motortreiberstufe (Fig. 1), wobei der erste aktive Schalter (S+4) gegenüber dem Bezugspunkt der Versorgungsspannung (U+) angesteuert wird. In Fig. 2 ist der erste aktive Schalter (S+) als high-side switch ausgeführt und an die positive Klemme (1) der Eingangsspannung (U+) geschaltet. Fig. 3 zeigt vereinfacht nur die notwendigen Bauteile für das Treiben des Motors und Fig. 4 für den Bremsbetrieb. Fig. 5 zeigt eine mechanische Erweiterung für Vierquadrantenbetrieb. Die Schaltungen sind beispielhaft mit IGBTs gezeichnet. Bei kleinerer Leistung oder bei niedrigeren Spannungen werden MOSFETs eingesetzt. Die Treiberstufe eignet sich natürlich auch für andere schaltende Bauelemente und auch für Bauelemente mit neuerer Technologie wie GaN oder SiC.

[0004] Ansteuerungen von Gleichstrommaschinen sind weitreichend bekannt und in der Fachliteratur behandelt. In der Patentliteratur findet man dann weitere Ergänzungen insbesondere für spezielle Aufgabenstellungen.

[0005] DE 102014117087 A1 (JOHNSON ELECTRIC SA) zeigt einen Motorantrieb (z.B. einen für ein Gebläse), bei dem vermieden werden soll, wenn der Motor von außen angetrieben wird, dass die dabei entstehende generatorische Spannung nicht zu hoch und dass die Ansteuerschaltung dadurch Schaden nimmt. Dazu wird bei einer H-Brücke parallel zur Maschine eine Serienschaltung eines Widerstandes mit einem spannungsabhängigen Widerstand (Varistor, VDR) geschaltet. Gleichzeitig unterscheidet sich die Schaltung gegenüber der häufig verwendeten H-Brücke dadurch, dass in Serie zur Maschine ein PTC, ein Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizient, der also mit zunehmender Temperatur schlechter leitet, geschaltet ist.

[0006] FR 2568734 A1 (ALSTHOM ATLANTIQUE) zeigt einen Einquadrantenantrieb, aufgebaut aus zwei unsymmetrischen Halbbrücken, wobei eine Halbbrücke mit einem Highside-Schalter und die andere mit einem Lowside-Schalter aufgebaut ist. Die beiden Schalter werden um die halbe Schaltperiode verschoben angesteuert. Das Tastverhältnis muss größer als 0,5 sein damit es zu einer Überlappung kommt.

[0007] JPH05130788 (A) (OMRON TATEISI ELECTRONICS CO) zeigt einen Steller für einen Gleichstrommotor mit einem aktiven Schalter und eine zugehörige Steuerelektronik.

[0008] Keines der drei Dokumente zeigt ein Konzept wie in der gegenständlichen Erfindung dargestellt.

[0009] Die Funktionsweise soll zunächst für die Treibphase erklärt werden. Der Energiefluss erfolgt von den Eingangsklemmen (1, 2) zu den Ausgangsklemmen (3, 4) und von dort in die Maschine (M). Dazu genügt es grundsätzlich nur den ersten aktiven Schalter (S1) zu takten. Wird dieser ausgeschaltet, so können der Spulenstrom und der Maschinenstrom in die zum zweiten (S2) und dritten aktiven Schalter (S3) parallel liegenden Dioden (D2, Ds) kommutieren.

[0010] Die Drehzahl der Maschine lässt sich mit idealen Bauelementen mit der Spannungskonstante Ce, bei eingeschwungenem Betrieb, im kontinuierlichen Betrieb aus der Spannung an den induktiven Bauteilen berechnen. Diese müssen im Mittel null sein. Als Tastverhältnis d wird das Verhältnis von Einschaltzeit des ersten aktiven Schalters in Bezug auf die Taktperiode defi-

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niert. Die Spannung an den Kondensatoren wird in Bezug auf eine Taktperiode als konstant angenommen. Die stationäre Drehzahl no ergibt sich zu

1 2d

no =—— U. 0 Cg1-d 1

[0011] Betrachtet man die Quellenspannung der Maschine, diese ist über die Spannungskonstante Cz direkt proportional zur Drehzahl, so erkennt man, dass die Spannung von null (Tastverhältnis null) auf das Sechsfache der Eingangsspannung bei einem Tastverhältnis von 75% gesteigert werden kann.

[0012] Für den Bremsbetrieb in Fig. 4, dargestellt für die Abwandlung der Motortreiberstufe nach Fig. 2, kann der aktive Schalter (S+1) immer gesperrt bleiben, der zweite (S2) und der dritte aktive Schalter (S3) werden gleichzeitig getaktet. Der Energiefluss kehrt so um, die Gleichstrommaschine geht in den generatorischen Betrieb.

[0013] Verwendet man MOSFETSs mit geringem Einschaltwiderstand, so ist der Spannungsabfall geringer als der der antiparallel liegenden Diode. Daher wird man, auch wenn es grundsätzlich nicht nötig ist, im Treibbetrieb (Motorbetrieb) nach Abschalten des ersten aktiven Schalters den zweiten (S2) und den dritten aktiven Schalter (Ss) einschalten, um so die antiparallel liegenden Dioden zu überbrücken und die Durchlassverluste zu verringern. Ebenso wird man beim Bremsbetrieb nach Abschalten des zweiten (S,2) und dritten aktiven Schalters (S3), den ersten aktiven Schalter (S+) einschalten und so die antiparallel liegende Diode (D1) überbrücken.

[0014] Die Kondensatoren (C1, C2) werden bei hohen Schaltffequenzen relativ klein und können statt mit Elektrolytkondensatoren auch durch reine Folien- oder Keramikkondensatoren gebildet werden.

[0015] Die dargestellten Konverter können, wenn man den Motor mit Hilfe eines Wendeschützes umpolen kann, auch als Vierquadrantensteller verwendet werden. Dies zeigt Fig. 5. Die Maschine (M) ist in die Diagonale einer aus vier Schaltern bestehenden Brücke gelegt. Sind die Kontakte (R+) und (R2) geschlossen, so erhält man Rechtslauf. Für Linkslauf müssen (L1) und (L2) geschlossen sein. Natürlich könnte man an Stelle der Kontakte eines Wendeschützes auch Halbleiterschalter verwenden.

[0016] Die Aufgabe eine Motortreiberstufe mit hoher Spannungsübersetzungsfunktion zu realisieren wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass an den positiven Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S2) der negative Anschluss des ersten Kondensators (C1) und der erste Anschluss der Spule (L) geschaltet sind, und an den negativen Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S2) die negative Ausgangsklemme (4) und der negative Anschluss des zweiten Kondensators (C2) geschaltet sind, und an den positiven Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (S3) der positive Anschluss des ersten Kondensators (C+) und die positive Ausgangsklemme (3) geschaltet sind, und an den negativen Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (S3) der positive Anschluss des zweiten Kondensators (C2) und der zweite Anschluss der Spule (L) geschaltet sind, und der positive Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (S4) an den negativen Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (S3) oder an die positive Eingangsklemme (1) geschaltet ist, und der negative Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (S+) an den positiven Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S2) oder an die negative Eingangsklemme (2) geschaltet ist.

[0017] Um die Zuleitungsinduktivität zu kompensieren wird zwischen der ersten (1) und der zweiten Eingangsklemme (2) ein Kondensator (Cın) geschaltet.

[0018] Um die parasitären Induktivitäten klein zu halten, kann man die Serienschaltung des ersten (V1) und des zweiten strombidirektionalen Schalters (V2) oder die Serienschaltung des ersten (V1) und des dritten strombidirektionalen Schalters (Vs) in Form von Halbbrückenmodulen verschalten.

[0019] Bei großen Leistungen und relativ niedrigen Frequenzen wird man die Kondensatoren (C+, C2) durch Elektrolytkondensatoren mit parallel liegenden Folien- oder Keramikkondensatoren re-

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alisieren.

[0020] Bei kleinen Leistungen und relativ hohen Frequenzen wird man die Kondensatoren (C+, C2) durch Folien- oder Keramikkondensatoren realisieren.

[0021] Bei Verwendung von aktiven Schaltern, die eine höhere Flussspannung aufweisen als die parallel liegenden Dioden, wird man bei Energieflussrichtung von den Eingangsklemmen (1, 2) zu den Ausgangsklemmen (3, 4) nur den ersten aktiven Schalter (S1) takten und den zweiten (S-) und den dritten aktiven Schalter (S3) gesperrt halten bzw. bei Energieflussrichtung von den Ausgangsklemmen (3,4) zu den Eingangsklemmen (1,2) nur den zweiten (S,) und den dritten aktiven Schalter (S3) takten und den ersten aktiven Schalter (S+1) gesperrt lassen.

[0022] Bei aktiven Schaltern, die im eingeschalteten Zustand ein ohmsches Verhalten aufweisen und einen geringeren Spannungsabfall erzeugen als die parallel liegenden Dioden, wird man den zweiten (S2) und den dritten aktiven Schalter (S;) gleichzeitig takten und den ersten aktiven Schalter (S1) invertiert takten.

[0023] Um die Treiberstufe auch als Vierquadrantentreiber zu verwenden, wird der Motor (M) nicht direkt an die Ausgangsklemmen (3, 4) angeschlossen, sondern über die Kontakte eines Wendeschützes.

Claims

A ‚hes AT 522 725 B1 2025-09-15 Ss N Patentansprüche

1. Motortreiberstufe aus drei strombidirektionalen Schaltern (V1, V2, V3), bestehend aus je einem aktiven Schalter (S+, S2, S3) und je einer antiparallelen Diode (D+4, D2, Da), einem ersten (C:) und einem zweiten Kondensator (C2), einer Spule (L), einer positiven (1) und einer negativen Eingangsklemme (2), an denen die Eingangsspannung geschaltet ist, einer positiven (3) und einer negativen Ausgangsklemme (4), an denen die Maschine (M) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an den positiven Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S2) der negative Anschluss des ersten Kondensators (C1) und der erste Anschluss der Spule (L) geschaltet sind, und an den negativen Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S2) die negative Ausgangsklemme (4) und der negative Anschluss des zweiten Kondensators (C2) geschaltet sind, und an den positiven Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (S;) der positive Anschluss des ersten Kondensators (C+) und die positive Ausgangsklemme (3) geschaltet sind, und an den negativen Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (S3) der positive Anschluss des zweiten Kondensators (C2) und der zweite Anschluss der Spule (L) geschaltet sind, und der positive Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (S+4) an den negativen Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (S;), der positive Anschluss des zweiten aktiven Schalters (S2) an die positive Eingangsklemme (1) geschaltet ist oder an die positive Eingangsklemme (1) der positive Anschluss des ersten aktiven Schalters (S+4) geschaltet ist, der negative Anschluss des ersten strombidirektionalen Schalters (S+) an den positiven Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S,) (2) geschaltet ist, und der negative Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (S3) mit der negativen Eingangsklemme (2) verbunden ist.

2. Motortreiberstufe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten (1) und der zweiten Eingangsklemme (2) ein Kondensator (Cın) geschaltet ist.

3. Motortreiberstufe gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Serienschaltung des ersten (V+1) und des zweiten strombidirektionalen Schalters (V2) in Form eines Halbbrückenmoduls verschaltet ist.

4. Motortreiberstufe gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Serienschaltung des ersten (V1) und dritten strombidirektionalen Schalters (V3) in Form eines Halbbrückenmoduls verschaltet ist.

5. Motortreiberstufe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren durch Elektrolytkondensatoren mit parallel liegenden Folien- oder Keramikkondensatoren realisiert sind.

6. Motortreiberstufe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren durch Folien- oder Keramikkondensatoren realisiert sind.

7. Motortreiberstufe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Energieflussrichtung von den Eingangsklemmen (1, 2) zu den Ausgangsklemmen (3, 4) nur der erste aktive Schalter (S+1) getaktet wird und der zweite (S2) und der dritte aktive Schalter (S3) gesperrt bleiben.

8. Motortreiberstufe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Energieflussrichtung von den Ausgangsklemmen (3, 4) zu den Eingangsklemmen (1,2) nur der zweite (S,) und der dritte aktive Schalter (Ss) getaktet werden und der erste aktive Schalter (S1) gesperrt bleibt.

9. Motortreiberstufe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite (S2) und der dritte aktive Schalter (S3) gleichzeitig getaktet werden und der erste aktive Schalter (S1) invertiert getaktet wird.

10. Motortreiberstufe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (M) nicht direkt an die Ausgangsklemmen (3, 4) angeschlossen ist, sondern über die Kontakte eines Wendeschützes.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen