AT527291A4 - Treiberstufe zum Antrieb von Gleichstrommaschinen - Google Patents

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Abstract

Motortreiber für den Betrieb von Gleichstrommaschinen, bestehend aus vier strombidirektionalen Schaltern (S1, S2, S3, S4 jeweils ein aktiver elektronischer Schalter mit einer antiparallelen Diode), einem Kondensator C1 und einer Spule L1. Die Spannung an der Maschine kann für eine Drehrichtung im Mittel auf höhere Werte als die Eingangsbetriebsspannung gebracht werden. Zwischen dem Tastverhältnis zur Ansteuerung von S1 und der Drehzahl herrscht ein linearer Zusammenhang, wenn der Schalter S2 mit einem konstanten größeren Tastverhältnis angesteuert wird. Regelungstechnisch ist interessant, dass dann der Konverter ein Phasenminimumsystem ist. Eine Erweiterung der Schaltung zur Vermeidung des Einschaltstromstoß und als elektronische Sicherung wird ebenfalls dargestellt. Für den Treibbetrieb dienen die Schalter S1 und S2, zum Bremsen dienen S4 und S3, die Dioden der jeweils anderen Schalter können zur Verringerung der Verluste, wenn diese Dioden eingeschaltet sind, diese überbrücken. Will man die andere Drehrichtung erzielen, so sind die Schalter S4 und S3 anzusteuern und die Dioden der anderen Schalter können wieder, wenn diese leiten, durch die zugehörigen aktiven Schalter überbrückt werden. Für diese Drehrichtung steht aber nur eine Spannung kleiner als die Betriebsspannung zur Verfügung.

Description

Die Erfindung betrifft, Motortreiber bestehend aus einem ersten Anschlusspaar (1, 2), bestehend aus einem positiven (1) und einem negaliven Fingangsanschluss (2), einem zweiten Anschlusspaar (3, 4), bestehend aus einem positiven (3) und einem nezatıven Ausgangsanschluss (4), einem ersten (ST) einem zweiten (S2), einem dritten (53) und einem vierten strombidirektionalen Schalter (S4) mit zugehörigen Ansteuerschaltungen, einer Spule
{11} und einem Kondensator (C1}.
In dieser Anmeldung wird ein neuer Motortreiber für den Betrieb von Cieichstremmaschimen vorgestellt, Die Schaltung ermöglicht einen linearen Zusammenhang zwischen der Drehzahl und dem Tastverhältnis, Die Spannung an der Maschine kann für eine Drehrichtung ım Mittel auf höhere Werte als die Eingangshbetriebsspannung gebracht werden, Regelunzstechnisch bildet der Anirieb im Kleinsignalverhalten ein Phasenminimumsystem, Für die andere Drehrichtung arbeitet der Treiber nur als Tießetszsteller, Eine Erweiterung der Schaltung zur Vermeidung des Einschaltstromstoß und als elektronische Sicherung wird ebenfalls darzestellt, Der Konverter besteht aus vier strombidirektionalen Schalter (jeweils ein aktiver elektromscher Schalter mit einer antiparallelen Diode), einem Kondensator und einer Spule,
Ihe Erfindung wird an Hand von Figuren dargestellt,
Fig, 1 zeipt die Schaltung der Treiberstufe beispielhaft mit MOSFETSs gezeichnet, Fig, 2 zeigt
das Spannungsübersetzungsverhältnis, Fig. 3 zeigt die Erweiterung zur Vermeidung des inschaltstromstoßes und zur Abschaltung im Fehlerfall (z.B. bei Kurzschluss, Bürstenfeuer).
Fig, 4 zeigt die Funktion dieses Zusatzes an Hand einiger Signalverläufe, Fig, 5 zeigt noch die
Schaltung der Treiberstufe, wenn eine negafive Eingangsspannung verwendet wird.
Die Schaltung des Treibers ist in Fig. 1 dargestellt, An die Ausgangsklommen (3, 4) ist die CGleichstrommaschine angeschlössen. Diese kann durch eine Induktivität Lay, einen Verlustwiderstand Ra und eine Spannungsquelie Ug, deren Wert proportional zur Drehzahl ist, dargestellt werden, Die Funktion des Treibers wird im eingeschwungenen Zustand und Kdoalen Bauteilen (keine parasitären Widerstände, ideales Schalten der Halbleiter} betrachtet. Zur Erklärung wird nun der Treibbetrieb, also der Energiefluss von der Eingangsspanmung U] zur Maschine verwendet, dabei soll die Ausgangsspanmumg invertiert zur Eingangsspanmung {entsprechend den Zählpfeilen) sein, Da als aktive Schalter MOSFETs gezeichnet smd, ist es micht notwendig, diskrete Dioden antiparaltel zu schalten, da diese von den Bodydioden nebildet werden. Werden z.B, IOBTs verwendet, so müsste man die Dioden zeichnen, Es sei
auch angemerkt, dass, wenn, die Qualität der Bodydioden zu schlecht ist, diskrete Dioden
1LZO/h/20231004/1005 A f 2/11
Maschinenstrom ist proportional dem Lastrmoment,
Das Spannungszeitgleichgewicht an der Spule L1 ergibt sich mit den Tastverhältnissen (Einschaltzeit des Schalters bezogen auf die Periodendauer) di für den elektronischen Schalter
ST und ds für den elektronischen Schalter 52 zu LS EP
Setzt man gun für die Spannung am Kondensator
Bes SE
©
ein, so ergibt sich das Spannungsühersetzungsverhältnis
Die Summe der beiden Tastverhälinisse muss größer oder gleich eins sein. Che Drehzahl a. hängt mit der Quellspannung der Maschine über die Maschinenkonstante Cr zusammen
gemäß
Hy CR
PLZG/Fh/20231004/1005
Pig. 2 stellf den Verlauf des Spannungsübersefzungsverhältnisses M in Abhängigkeit des Tastverhältnisses des ersten Ächalters S1 als unabhängige Variable und dem Tastverhältuis des zweiten Ächalters 52 als Parameter dar, Es ergibt sich ein linearer Zusammenhang, Man beachte, dass die Kurven nur Für nasıtive Werte von M gültig sind. Die gekrümumte Lime stellt das Spanmungsübersetzungsverhältnis dar, wenn von S4 nur die Diode verwendet wird, 53 entfernt wird und S2 durch einen Kurzschluss ersetzt wird. Man sieht aber auch, dass, wenn S4 und S3 primär angesteuert werden, die Ausgangsspannung die Richtung ändert, also die Drehrichtung der Maschine umgedreht werden kann, Für diese Drehrichtang arbeitet der Treiber jedoch nur als Tießetzsteller, dh. die Spannung an der Maschine kann im Mittel nur
kleiner sein als die Betriebsspannung UT,
Um die Durchlassverluste zu reduzieren wird man die antiparallelen aktıven Schalter zur Überbrückung einschalten. Che aktiven Schalter S3 und S4 sind erst im Bremsbetrieb
notwendia, Im Treibbetrich sind als aktive Schalter nur ST und 82 notwendig,
im Bremsbetrieh ist die Maschineninduktivität der Zwischenspeicher der Energie, Schaltet man 83 ein, so Liegt ar der Maschineninduktivität wie auch im Zustand M3 des Treibbetriebs die negative Summe von Eingangsspannung und Quelispannung der Maschine, der Maschinenstrom sinkt. Auch an der Spule des Konverters L1 Heut die negative Spannung des Kondensators C1, der sich stationär chenfülls aus der Summe von Eingangsspannung und Quelispannung bildet, Der Wert von 11 ist sicher kleiner als der Wert der Maschineninduktivität LM, daher wird dieser Strom rascher umdrehen. Wenn der Maschinensirom die Richtung ändert, beginnt der eigenthche Bremsbetrich, Schalter man S4 aus, so schalten die Dioden von SI und S2 ein. An der Maschineninduktivität hegt nun die gegative Öuelispannung und die positive Spannung an CL, Es liegt nun ein. Wert der der nasitiven Fingangsspannung entspricht, an der Maschineninduktivität, und der Strom steigt wieder an. Der Strom durch 11 Mreßt nun zurück zur Quelle UT und steigt wieder an. Schalter man nun S4 wieder ein, so sinkt wieder der Strom in den Spulen, Wenn der Strom durch LI wieder einen vorgegebenen negativen Wert erreicht, wird S4 wieder abzeschaltet und die beiden Dioden von S1 und S2 schalten wieder ein. Aus diesen Überlegungen erkennt man, dass der Strom in L1 überwacht werden sollte in dem man einen unterlagerten Zweipunktregler für den Strom vorsicht. Man kann auch beim Rückspeisebetrieb den Schalter 3
PI29/fHh/20231004/10085
Dissen von ST und S2 freitaufen,
Zur Reduktion der Düurchlassverluste können, wenn die zugehörigen Dieden leiten, auch die
aktiven Schalter eingeschaltet werden.
Wenn bei der Inbeirnlebsetzung der Einschaltstromstaß zu vermeiden ist, kann man den Konverter noch durch eine Vorstufe erweitern, Dies ist Fiz. 3 dargestellt, Zwischen der
annung UL und den Anschlüssen des Konverters (1, 2) werden ein Weiterer
EINuanussp strombidirektionaler Schalter S5 und eine Diode D6 geschaltet, Der Schalter SS dient zum langsamen Aufladen von C1, das Tastverhältnis für den Schalter SS wind dabeı langsam von nal] auf eins erhöht und bieibt anschließend auf Dauer eingeschaltet, Die Eingangsspanmung liegt zun an den Anschlüssen A and B. Um den Einfluss der Zuleitungsinduktivität
‚ÜN berspannungen) beim Ausschalten von 55 zu vermeiden, Ist der Kondensator CIN zwischen den Anschlüssen A und 8 vorgesehen. Ohne die Vorstufe ist ein solcher Kondensator zwischen den Anschlüssen 1 und Z sinnvoll, Diode DO greift nur beim MHMochfahrvorgang ein and beim Ausschalten des Schalters SS im Fehlerfall, Es ist daher nicht
sinnvoll, Da durch einen atrombidirektionalen Schalter zu ersetzen,
Ein interessanter Aspekt des Treibers ist auch, dass, wenn man ihn mit konstantem Tastverhältnis für S2 ansteuert und die Steuerung des Konverters über das Tastverhältuis von
51 durchführt, der Treiber sich als ein Phasenminimumsystem verhält,
Verwendet man zur Basisansteuerung die strombidirektionalen Schalter 53 and 54 und schaltet die anderen nur dann ein, wen die parallel Hegende Diode leitet, so dreht sich die Spannung am Ausgang um und damit auch die Drehrichtung, Die Spannung des Eingangs kann damıt aber nur tiefgesetzt werden.
Es soll guch festgestellt werden, dass bei einer negativen Betrichsspannung die Funktion die
gleiche bleibt, wenn man die strömbidirektianalen Schalter anders palt. Die Schaltung ist in
Fig, S dargestellt.
Die Funktion des Einschaltstromstoß-Begrenzers ıst in Fig. 4 dargestellt. Die Signale werden
von oben nach unten besprächen, Das Tastverhältnis für den fünften strombidirektionalen
PLIO/fH/20231004/1008
Eingangsspannung, Man sicht, os passıort kein Uberschießen der Spannung oder der Ströme.
Die Aufgabe eine Treiberstufe für eine Cleichstrommaschine zu realisieren, wird erfindungsgemäß dadurch bewerkstelligt, dass an den positiven Eingangsanschluss {1} der positive Anschluss des vierten strombidirektionalen Schalters (54), der erste Anschluss der Spule {L1} und der positive Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (53) geschaltet sind, an den negativen Anschluss des vierten strombidirektionalen Schalters (S4)} der negative Anschluss des Kondensators (C1} und der negative Ausgangsanschluss (4) geschultet sind, an den zweiten Anschluss der Spule {L1} der positive Anschluss des
Kondensataors (C 1} und der positive Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters
(52) geschäftet sind, atı den negativen Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters {82} der positive Anschluss des ersten strombidirektonalen Schalters (ST}und der negative Anschluss des dritten strombigirektionalen Schalters {S3) geschaltet sind und der negative Anschluss des ersten strambidirektionalen Schalters (ST) mit dem negativen
Einzangsanschluss (2) und mit dem positiven Ausgangsanschluss (3) verschaltet ist.
Uhr den Einschaltstromstoß zu vermeiden kan die Schaltung so erweiiert werden, dass an den positiven Eingangsanschluss (1} die Kathode einer sechsten Diode (D6) und der negative Anschluss des fünften strombidirektionalen Schalters (85) geschaltet sind, an den positiven Anschluss des fünften strombidirektionalen Schalters (55) die positive Klemme (A} und der positive Anschluss des Eingangskondensators (CIN} geschaltet sind und an den negativen Eingangsanschluss (2) die Anode der sechsten Diode (Da), der negative Anschluss des Eingangskondensator (CIN) und die negative Klemme (B} geschaltet sind und die Einganessspangung {UT} zwischen der positiven Klemme (A) und der negativen. Klemme (B}
geschaltet ist.
Es ist auch möglich einen Treiber mit gleicher Funktion für eine negative Eingangsspangung 71) zu erhalten, wenn alle Halbleiterbauelemente umgepalt sind und falls gepolte
Kondensatoren (C1, CIN) verwendet werden, auch diese umeepolt sind,
Zur Verringerung der parasıtären Induktivitäten ist es sinnvoll, dass die strombidirektionalen.
Schalter gemeinsam in einem Maocdal verschalfet sind.
PLZG/Fh/20231004/ 1005
Ist nur ein Einquadrantenbetrieb nötig, so kann man die Schaltung So vereinfachen, dass vom
driiten (833) und vierten strombidirektionalen Schalter (S4) nur die Diode verwendet wird,
P31Z8/Fh/20231004/1005
G

Claims (7)

1. Motortreiher bestehend aus einem ersten Anschlusspaar (1, 2), bestehend aus einem positiven {1} und einem negativen Eingangsanschluss {Z), emem zweiten Anschlusspaar (3, 4}, hestehend aus einem positiven {3} und einem negativen Ausganssanschluss (4) einem ersten (ST), einem zweiten (S2), einem dritten (53) und einem vierten strombidirektionalen Schalter (S4} mit zugehörige Ansteuerschaftungen, einer Spule {LI} und einem Kondensator (1) dadurch gekennzeichnet, dass an den positiven Eingangsanschluss (1} der positive Anschluss des vierten strombidirektionaälen Schalters (S4), der erste Anschluss der Spule {L1)} und der positive Anschluss des dritten strombidireküonalen Schalters (53) geschalte sind, an den negativen Anschluss des vierten strombidirektionalen Schalters (S4} der negative Anschluss des Kondensators (O1) und der negative Ausgangsanschluss (4)
geschaltet sind, an den zweiten Anschluss der Spule (L1} der positive Anschluss des Kondensators ({C'1} and der positive Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters {S2) geschaltet sind, an den negaliven Anschluss des zweiten strombidirektionalen Schalters (S2) der pası!ive Anschluss des ersten strombidirektionalen Achalters (SDund der negative Anschluss des dritten strombidirektionalen Schalters (S3)} geschaltet sind und der negative Anschluss des ersten atrombidirektionalen Schalters {SL} mit dem gegaliven Eingangsanschluss {2} ad mit dem positiven ÄAusgangsanschluss {3} verschaltet ist.
2. Motortreiber gemäß Anspruch | dadurch gekennzeichnet, dass an den positiven Bingangsanschluss (1} die Kathode einer sechsten Diode (DS) und. der negative Anschluss des fünften strombidirektionalen Schalters (SS) geschaltet sind, an den positiven. Anschluss des fünften strombidirektionalen Schalters (S5) die positive Kiemme (A) und der positive Anschluss des Bingangskondensators (CIN) geschaltet sind and an den negativen Eingangsanschluss (2) die Anode der sechsten Diode {D6}, der negative Anschluss des Eingangskondensators (CIN}) und die negative Klemme {B} geschaltet sind und die Eingangsspannung (U1} zwischen er positiven Klemme (A) und der negativen Klemme (B) geschaltet ist.
3. Motortreiber gemäß Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass alle Halbleiter umgepolt sind, falls gepolte Kondensataren (1, CIN} verwendet werden äuch diese umgepolt sind und die Eingangsspannung (1/1) ebenfalls umgepolt angelegt ist,
4. Motortreiber gemäß einem der Ansprüche | bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die strambidirektionalen Schalter gemeinsam in einem Modul verschaltet sind,
PL29/fh/20231004/1005
&. Meofortreiber gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die strombidirektionalen Schalter, die zugehörigen Treiberstufen und weitere Steuerslektonik in einem integrierten Schaltkreis verschaltet sind.
7. Motortreiber gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der positiven {3} und der negativen Ausgangsklemme (4) eine Gleichstrommaschine oder ein obmasch-induktiver Aktuator geschaltet ist.
S. Motortreiber gemäß eitwrn der Ansprüche | his 7 dadurch gekennzeichnet, dass vom
dritten (83) und vierten strombidirektionalen Schalter (54) mir die Diode verwendet
ward,
3
P129/fh/20231004/1005
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JP2001268900A (ja) * 2000-03-22 2001-09-28 Masayuki Hattori 双方向型昇降圧チョッパ回路
AT412376B (de) * 2001-06-21 2005-01-25 Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss Schaltungen zur pulsung von gleichspannungen
AT507203B1 (de) * 2008-10-30 2010-03-15 Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss Ein- und zweiquadrantenstellglieder

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