DE102011014956A1

DE102011014956A1 - Steuerschaltung und Motorvorrichtung

Info

Publication number: DE102011014956A1
Application number: DE102011014956A
Authority: DE
Inventors: En Hui Wang; Fei Xin; Chi Ping SUN; Ming Li Zhang
Original assignee: Johnson Electric SA
Current assignee: Johnson Electric International AG
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2011-12-15
Also published as: US20110235218A1; CN102201666A; US9166444B2; CN102201666B; JP2011211899A; JP5893259B2; CN102201701A

Abstract

Eine Steuerschaltung hat einen Eingangsanschluss für die Aufnahme einer Eingangsspannung, einen Energiespeicher für die Speicherung von Energie von dem Eingangsanschluss und für die Zuführung von Energie zu einer elektrischen Last und eine Überspannum Eingangsanschluss, wenn die Spannung an dem Ausgangsanschluss des Energiespeichers einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Eine Motorvorrichtung kombiniert die Steuerschaltung mit einem Elektromotor als Last.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Stromversorgung und insbesondere eine Stromversorgung mit Überspannungsschutz.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine bekannte Steuerschaltung für einen Ventilator, der durch eine Wechselnetzspannung versorgt und durch einen Gleichstrommotor angetrieben wird, hat einen Kondensator für die Verringerung der Wechselnetzspannung und einen Stromrichter zur Umformung der verringerten Wechselspannung in eine Gleichspannung. Bei einer geringen Last oder bei einer hohen Kapazität des Kondensators steigt die Ausgangsspannung des Stromrichters, wodurch Komponenten, die durch den Stromrichter versorgt werden, möglicherweise beschädigt werden könnten.
ÜBERSICHT DER ERFINDUNG
Es besteht daher der Wunsch nach einer Steuerschaltung, die einen Überspannungsschutz für eine Stromversorgung bietet.
Demzufolge wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Steuerschaltung bereitgestellt, umfassend einen Eingangsanschluss für die Aufnahme einer Eingangsspannung, einen Energiespeicher für die Speicherung elektrischer Energie aus dem Eingangsanschluss und für die Zuführung von Energie zu einer elektrischen Last und eine Überspannungsschutzeinheit zur Verringerung der Spannung an dem Eingangsanschluss, wenn die Spannung an einem Ausgangsanschluss des Energiespeichers einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt.
Vorzugsweise ist eine erste Schalteinheit zwischen dem Eingangsanschluss und dem Energiespeicher angeordnet und derart konfiguriert, dass sie leitend ist, um den Eingangsanschluss und den Energiespeicher elektrisch miteinander zu verbinden, wenn die Spannung an dem Ausgangsanschluss des Energiespeichers niedriger ist als der Schwellwert, und dass sie nichtleitend ist, um den Eingangsanschluss von dem Energiespeicher zu trennen, wenn die Spannung an dem Ausgangsanschluss des Energiespeichers einen Schwellwert übersteigt.
Vorzugsweise ist die erste Schalteinheit eine Diode, deren Anode elektrisch mit dem Eingangsanschluss verbunden ist.
Vorzugsweise umfasst die Überspannungsschutzeinheit eine Detektoreinheit, die für die Detektion der Spannung an dem Ausgangsanschluss des Energiespeichers und für die Erzeugung eines Detektionssignas konfiguriert ist, das anzeigt, ob die nachgewiesene Spannung den Schwellwert übersteigt; eine zweite Schalteinheit, die elektrisch zwischen den Eingangsanschluss und eine Spannung, die niedriger ist als der Schwellwert, geschaltet ist und die derart konfiguriert ist, dass sie leitend ist, wenn das Detektionssignal anzeigt, dass die nachgewiesene Spannung den Schwellwert übersteigt, und die nichtleitend ist, wenn das Detektionssignal anzeigt, dass die nachgewiesene Spannung niedriger als der Schwellwert ist.
Vorzugsweise ist die zweite Schalteinheit elektrisch zwischen den Eingangsanschluss und eine Erdungsspannung geschaltet.
Vorzugsweise ist die vorgegebene Schwellspannung im Wesentlichen gleich der Nennspannung an dem Eingangsanschluss.
Vorzugsweise umfasst die Steuerschaltung einen Konverter zum Konvertieren einer Wechselspannung in eine Gleichspannung, die dem Eingangsanschluss zuzuführen ist.
Vorzugsweise ist eine Spannungsreduziereinheit zur Verringerung einer höheren Wechselspannung auf einen durch den Konverter zu konvertierende niedrigere Wechselspannung vorgesehen.
Vorzugsweise umfasst die Spannungsreduziereinheit eine einstellbare Kondensatoreinheit mit einstellbarer Kapazität.
Vorzugsweise umfasst der Energiespeicher einen Kondensator.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird durch vorliegende Erfindung eine Motorvorrichtung bereitgestellt, umfassend einen Motor mit einer Steuerschaltung wie vorstehend beschrieben, um den Motor mit Energie zu versorgen.
Vorzugsweise ist der Motor ein bürstenloser Gleichstrommotor.
Vorteile von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind unter anderem die hohe Zuverlässigkeit der Schaltung und deren geringe Kosten. Darüber lässt sich die Geschwindigkeit des Motors auf einfache Weise einstellen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels beschrieben, wobei auf die Figuren der anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen, tragen in sämtlichen Figuren, in denen sie erscheinen, die gleichen Bezugszeichen. Die Dimensionen von Komponenten und in den Figuren dargestellten Merkmalen sind allgemein im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Die Figuren sind im Folgenden aufgelistet.
1 ist ein Blockdiagramm einer Steuerschaltung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
2 zeigt eine Spannungsreduziereinheit der Steuerschaltung in 1.
DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Eine Steuerschaltung 204 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dient zur Steuerung eines bürstenlosen Einphasen-Gleichstrommotors mit einem Permanentmagnetläufer und einem Ständer mit Ständerwicklungen 208. Die Ständerwicklungen 208 stellen eine elektrische Last dar. Die Steuerschaltung 204 wird durch eine Wechselstromversorgung 206 gespeist und umfasst eine Spannungsreduziereinheit 220, einen A/D-Wandler 240, einen Energiespeicher 210, eine Antriebseinheit 260, eine Niederspannungs-Generatoreinheit 280, eine Überspannungschutzeinheit 230 und eine erste Schalteinheit 250.
Die Spannungsreduziereinheit 220 umfasst eine einstellbare Kondensatoreinheit 222 (2) mit einstellbarer Kapazität für die Reduzierung einer Wechselspannung, die von der Wechselstromversorgung 206 ausgegeben wird. Die einstellbare Kondensatoreinheit 222 ist elektrisch zwischen die Wechselstromversorgung 206 und den A/D-Wandler 240 geschaltet. Die einstellbare Kondensatoreinheit umfasst zumindest zwei feste Kondensatoren 228 mit festen Kapazitäten und eine Steuereinheit 226, um die zumindest zwei festen Kondensatoren 228 jeweils selektiv elektrisch zwischen die Wechselstromversorgung 206 und den A/D-Wandler zu schalten. Die Steuereinheit 226 umfasst zumindest zwei Schalter 221, die jeweils mit den zumindest zwei festen Kondensatoren 228 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Ein jeweiliger Schalter 221 und ein entsprechender Kondensator 228 bilden einen Schaltkondensator, und die zumindest zwei Schaltkondensatoren sind elektrisch parallelgeschaltet. Wenn ein Schalter 221 geschlossen oder leitend ist, ist sein entsprechender Kondensator 228 elektrisch zwischen die Wechselstromversorgung und den A/D-Wandler geschaltet. Wenn ein Schalter 221 offen oder nichtleitend ist, ist sein entsprechender Kondensator 228 von dem Stromkreis mit der Wechselstromversorgung 206 getrennt. Deshalb lassen sich die festen Kondensatoren 228 durch eine selektive Steuerung eines jeden Schalters 221 elektrisch zwischen die Wechselstromversorgung 206 und den A/D-Wandler 240 schalten oder von der Wechselstromversorgung 206 und dem A/D-Wandler 240 trennen, um die Kapazität der einstellbaren Kondensatoreinheit 222 und dadurch die Ausgangsspannung der Spannungsreduziereinheit einzustellen. Die Ausgangsspannung aus der Spannungsreduziereinheit wird durch die Einstellung der Kapazität der einstellbaren Kondensatoreinheit eingestellt, wodurch die Geschwindigkeit des Motors durch eine preiswerte Schaltung auf einfache Weise eingestellt werden kann.
Der A/D-Wandler 240 ist konfiguriert für die Umwandlung der von der Spannungsreduziereinheit 220 ausgegebenen verringerten Wechselspannung in eine Gleichspannung. Vorzugsweise umfass der A/D-Wandler 240 eine Brückengleichrichterschaltung.
Der Energiespeicher 210 umfasst einen Kondensator, der durch die Ausgabe des A/D-Wandlers 240 geladen werden kann und der elektrische Last, d. h. die Ständerwicklungen 208, entweder direkt oder indirekt mit Energie versorgt.
Die Niederspannungs-Generatoreinheit 280 ist konfiguriert für die Erzeugung einer niedrigeren Gleichspannung aus der von dem Energiespeicher 210 ausgegebenen Gleichspannung. Die Niederspannungs-Generatoreinheit 280 umfasst einen Widerstand und eine Zenerdiode. Ein Ende des Widerstands ist elektrisch mit dem positiven Anschluss des Kondensators 210 verbunden. Das andere Ende ist elektrisch mit der Kathode der Zenerdiode verbunden, und die Anode der Zenerdiode und der negative Anschluss des Kondensators 210 sind elektrisch mit der Erde verbunden. Ferner kann ein mit der Zenerdiode elektrisch parallelgeschalteter Filterkondensator angeordnet sein, um die Ausgabe der Niederspannungs-Generatoreinheit 280 an der Kathode der Zenerdiode zu glätten oder zu stabilisieren.
Die Antriebseinheit 260 umfasst eine Positionsdetektoreinheit 262, einen Controller 264 und einen Inverter 266. Die Positionsdetektoreinheit 262 kann ein Hall-Sensor sein, der durch die niedrigere Gleichspannung betrieben wird und der für die Detektion der Position des Läufers des BLDC-Motors und die Ausgabe eines entsprechenden Positionssignals ausgebildet ist. Der Controller 264 wird ebenfalls durch die niedrigere Gleichspannung betrieben und ist konfiguriert für die Reaktion auf das Positionssignal und die Ausgabe eines entsprechenden Kommutationssignals. Der Controller 264 kann durch einen Mikrocontroller oder einen Schaltkreis realisiert sein, der durch elektronische Komponenten wie einen Widerstand und Schalter gebildet wird. Der Inverter 266 wird durch die von dem Energiespeicher 210 ausgegebene Gleichspannung betrieben und ist konfiguriert für die Reaktion auf das Kommutationssignal, um die zu dem Motor geleitete Energie zu steuern.
Die Überspannungsschutzeinheit 230 ist konfiguriert für die Durchführung eines Überspannungsschutzes für die von dem Energiespeicher 210 ausgegebene Gleichspannung, um eine Beschädigung von Komponenten zu verhindern, die durch Gleichspannung betrieben werden. Die Überspannungs-Schutzeinheit 230 umfasst eine Detektoreinheit 232 und eine zweite Schalteinheit 234. Die Detektoreinheit 232 ist konfiguriert für die Detektion der Gleichspannung an dem Ausgangsanschluss des Energiespeichers 210 und für die Erzeugung eines Detektionssignals, das anzeigt, ob die nachgewiesene Gleichspannung einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt.
Die zweite Schalteinheit 234 ist derart konfiguriert, dass sie leitend (geschlossen) ist, um die Gleichspannung an dem Ausgangsanschluss des A/D-Wandlers 240 auf eine Gleichspannung zu verringern, die niedriger als die Schwellspannung ist, wenn das Detektionssignal anzeigt, dass die nachgewiesene Gleichspannung den Schwellwert übersteigt, und dass sie nichtleitend (offen) ist, um einen normalen Betrieb des A/D-Wandlers und die Ausgabe einer Gleichspannung für den Energiespeicher 210 zu ermöglichen, wenn das Detektionssignal anzeigt, dass die nachgewiesene Gleichspannung den Schwellwert unterschreitet. Vorzugsweise ist die niedrigere Spannung eine Erdungsspannung. Dies lässt sich auf einfache Weise erreichen, indem die zweite Schalteinheit 234 elektrisch zwischen den Ausgangsanschluss des A/D-Wandlers 240 und die Erde geschaltet wird.
Die erste Schalteinheit 250 ist elektrisch zwischen den Ausgangsanschluss des A/D-Wandlers 240 und den Energiespeicher 210 geschaltet. Die erste Schalteinheit 250 ist derart konfiguriert, dass sie leitend ist, um den Ausgang des A/D-Wandlers 240 mit dem Eingang des Energiespeichers 210 elektrisch zu verbinden, wenn die Gleichspannung an dem Ausgangsanschluss des Energiespeichers 210 den Schwellwert unterschreitet, und dass sie nichtleitend (offen) ist, um den Energiespeicher 210 elektrisch von dem A/D-Wandler 240 zu trennen, wenn die Gleichspannung an dem Ausgangsanschluss des Energiespeichers 210 den Schwellwert überschreitet. Vorzugsweise ist die erste Schalteinheit 250 eine Diode, deren Anode elektrisch mit dem Ausgangsanschluss des A/D-Wandlers 240 verbunden ist und deren Kathode elektrisch mit dem positiven Anschluss des Energiespeichers 210 verbunden ist.
Die Detektoreinheit 232 detektiert die Ausgangsspannung des Energiespeichers 210. Wenn die Ausgangsspannung des Energiespeichers 210 den vorgegebenen Schwellwert überschreitet, wird die zweite Schalteinheit 234 leitend und die von dem A/D-Wandler 240 ausgegebene Spannung wird reduziert, und zwar vorzugsweise auf 0 Volt. Dadurch ist die Ausgangsspannung des Energiespeichers 210 höher als die Ausgangsspannung des A/D-Wandlers 240, die erste Schalteinheit 250 trennt den A/D-Wandler 240 elektrisch von dem Energiespeicher 210, und der Energiespeicher 210 liefert gespeicherte Energie an den Motor. Mit dem Verbrauch der gespeicherten Energie des Energiespeichers 210 nimmt die ausgegebene Spannung des Energiespeichers 210 ab. Wenn die Detektoreinheit 232 detektiert, dass die Ausgangsspannung des Energiespeichers 210 den Schwellwert unterschreitet, wird die zweite Schafteinheit 234 geöffnet. Dadurch ist die Ausgangsspannung des A/D-Wandlers 240 höher als die Ausgangsspannung des Energiespeichers 210, die erste Schalteinheit 250 verbindet den A/D-Wandler 240 elektrisch mit dem Energiespeicher 210, und der Energiespeicher 210 wird durch die Ausgabe des A/D-Wandlers 240 geladen und beliefert den Motor mit Energie. Dadurch kann die Ausgangsspannung des Energiespeichers 210 gegenüber dem Schwellwert grundsätzlich stabil gehalten werden, der Überspannungsschutz kann realisiert und die Zuverlässigkeit der Schaltung verbessert werden. Da außerdem elektronische Komponenten mit einer relativ niedrigeren spannungsresistenten Qualität in der Schaltung verwendet werden könnten, die durch die von der Spannungsreduziereinheit ausgegebene Wechselspannung versorgt werden, können auch die Kosten für die Schaltung verringert werden.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können der A/D-Wandler 240, der Energiespeicher 210, die Antriebseinheit 260, die Überspannungsschutz-Einheit 230 und die Niederspannungs-Generatoreinheit 280 auf einer einzigen gedruckten Leiterplatte angeordnet sein, und die einstellbare Kondensatoreinheit 222 kann mechanisch von der gedruckten Leiterplatte unabhängig sein, jedoch elektrisch mit der gedruckten Leiterplatte verbunden sein.
Während die Schwellspannung einen beliebigen gewünschten Wert aufweisen kann, wird bevorzugt, dass die Schwellspannung im Wesentlichen gleich der Nennspannung des Eingangsanschlusses ist. Die Nennspannung ist die gewünschte normale Betriebsspannung, d. h. der Bemessungswert der Ausgangsspannung des A/D-Wandlers.
Verben wie ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente vorhanden sind.
Wenngleich die Erfindung mit Bezug auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Modifikationen möglich sind, weshalb der Schutzumfang der Erfindung durch die anliegenden Ansprüche definiert wird.

Claims

Steuerschaltung, umfassend: einen Eingangsanschluss zur Aufnahme einer Eingangsspannung; einen Energiespeicher (210) zum Speichern elektrischer Energie aus dem Eingangsanschluss und zur Zuführung von Energie zu einer elektrischen Last (208); und eine Überspannungs-Schutzeinheit (230) zur Verringerung der Spannung an dem Eingangsanschluss, wenn die Spannung an dem Ausgangsanschluss des Energiespeichers (210) einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
Steuerschaltung nach Anspruch 1, wobei eine erste Schalteinheit (250) zwischen dem Eingangsanschluss und dem Energiespeicher (210) angeordnet und derart konfiguriert ist, dass sie leitend ist, um den Eingangsanschluss mit dem Energiespeicher elektrisch zu verbinden, wenn die Spannung an dem Ausgangsanschluss des Energiespeichers den Schwellwert unterschreitet, und dass sie nichtleitend ist, um den Eingangsanschluss elektrisch von dem Energiespeicher zu trennen, wenn die Spannung an dem Ausgangsanschluss des Energiespeichers den Schwellwert überschreitet.
Steuerschaltung nach Anspruch 2, wobei die erste Schalteinheit (250) eine Diode ist, deren Anode elektrisch mit dem Eingangsanschluss verbunden ist.
Steuerschaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Überspannungs-Schutzeinheit (230) umfasst: eine Dektoreinheit (232), die konfiguriert ist für die Detektion der Spannung an dem Ausgangsanschluss des Energiespeichers (250) und für die Erzeugung eines Detektionssignals, das anzeigt, ob die nachgewiesene Spannung den Schwellwert überschreitet; eine zweite Schalteinheit (234), die elektrisch zwischen den Eingangsanschluss und eine Spannung, die niedriger ist als der Schwellwert, geschaltet ist und derart konfiguriert ist, dass sie leitend ist, wenn ein Detektionssignal anzeigt, dass die nachgewiesene Spannung den Schwellwert überschreitet, und dass sie nichtleitend ist, wenn das Detektionssignal anzeigt, dass die nachgewiesene Spannung den Schwellwert unterschreitet.
Steuerschaltung nach Anspruch 4, wobei die zweite Schalteinheit (234) elektrisch zwischen den Eingangsanschluss und eine Erdungsspannung geschaltet ist.
Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorgegebene Schwellwert im Wesentlichen gleich der Nennspannung an dem Eingangsanschluss ist.
Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Konverter (240) zum Konvertieren einer Wechselspannung in eine dem Eingangsanschluss zuzuführende Gleichspannung.
Steuerschaltung nach Anspruch 7, ferner umfassend eine Spannungsreduziereinheit (220) für die Verringerung einer höheren Wechselspannung in eine durch den Konverter (240) zu konvertierende niedrigere Wechselspannung.
Steuerschaltung nach Anspruch 8, wobei die Spannungsreduziereinheit (220) eine einstellbare Kondensatoreinheit (222) mit einstellbarer Kapazität umfasst.
Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Energiespeicher (210) einen Kondensator umfasst.
Motorvorrichtung, umfassend einen Motor und eine Steuerschaltung (204) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, um den Motor mit Energie zu versorgen.
Motorvorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Motor ein bürstenloser Gleichstrommotor ist.