DE4237843A1 - Schaltungsanordnung zum Betreiben einer induktiven Last - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer induktiven Last, vorzugsweise eines Synchronmotors, aus einer im wesentlichen eine Gleich­ spannung abgebenden Quelle.

Aus der DE-OS 38 30 016 ist eine Schaltungsanordnung zur Speisung einer Last aus einer Energiequelle mit niedriger Ausgangsspannung über eine Gleichspannungsumsetzschaltung bekannt. Die Gleichspannungsumsetzschaltung entnimmt durch ein Hauptschaltelement periodisch Energie aus der Energie­ quelle und führt sie über ein induktives Element und einen Gleichrichter der Last mit einer erhöhten Speisespannung zu. Ferner ist ein Anlauf Schaltelement vorgesehen, durch das der Energiequelle in einer Anlaufphase der Schaltungs­ anordnung Energie zum Erzeugen der Speisespannung ent­ nommen wird. In dieser bekannten Schaltungsanordnung ist eine Hauptsteuerschaltung vorgesehen, die unmittelbar aus der Speisespannung mit Energie versorgt und von der das Hauptschaltelement periodisch gesteuert wird. Diese Haupt­ steuerschaltung weist somit eine gegenüber der Ausgangs­ spannung der Energiequelle erhöhte Versorgungsspannung auf. Zusätzlich ist eine Anlaufsteuerschaltung vorgesehen, die unmittelbar und ausschließlich von der Energiequelle gespeist wird und das Anlaufschaltelement periodisch steuert. Die Schaltperioden für das Anlaufschaltelement sind dabei kürzer als die für das Hauptschaltelement. Die Anlaufsteuerschaltung und damit das Anlaufschaltelement werden abgeschaltet, wenn die Speisespannung einen vor­ gegebenen Wert erreicht.

Durch das Anlaufschaltelement und die Anlaufsteuer­ schaltung wird bei der bekannten Schaltungsanordnung sichergestellt, daß bei Inbetriebnahme der Schaltungs­ anordnung zunächst eine Speisespannung erforderlicher Höhe für die Hauptsteuerschaltung zum Betätigen des Haupt­ schaltelements erzeugt wird, bevor dieses seinen Betrieb aufnimmt. Sind dann die Hauptsteuerschaltung und das Hauptschaltelement in Betrieb, übernehmen sie die Erzeugung der Speisespannung, die auch zum Betrieb der Hauptsteuerschaltung herangezogen wird.

Die bekannte Schaltungsanordnung ist für beliebige Lasten und somit auch für die Speisung von Motoren einsetzbar. Es hat sich jedoch gezeigt, daß in bestimmten Anwendungs­ fällen eine weitere Vereinfachung der Schaltungsanordnung, insbesondere der für das Anlaufen der Schaltungsanordnung bei Inbetriebnahme vorgesehenen Teile, wünschenswert ist.

Die Erfindung hat demgemäß die Aufgabe, eine Schaltungs­ anordnung zum Betreiben einer induktiven Last aus einer im wesentlichen eine Gleichspannung abgebenden Quellen derart auszubilden, daß ihr Betrieb und ihr Anlauf mit möglichst geringem zusätzlichem Aufwand sichergestellt werden, auch wenn die der Quelle entnommene Gleichspannung niedriger ist als die für eine Hauptsteuerschaltung beispielsweise nach dem Stand der Technik benötigte Versorgungsspannung.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer induktiven Last mit mindestens einer Wicklung, wovon jede wenigstens eine erste und eine zweite Teilwicklung umfaßt, welche einer­ seits über durch eine Steueranordnung periodisch betrie­ bene Schaltvorrichtungen abwechselnd mit einer im wesent­ lichen eine Gleichspannung abgebenden Quelle zum Zuführen von Energie zur Last verbindbar und andererseits elek­ trisch und magnetisch in der Art eines Spartransformators gekoppelt sind, von dessen Endanschlüssen, die durch nicht miteinander verbundene Anschlüsse der Teilwicklungen gebildet werden, Spannungen zum Speisen der Steueranord­ nung abgreifbar sind.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß in ihr eine Energieversorgung zum Speisen der Steuer­ anordnung verwendet wird, die eine lückenlose und zuver­ lässige Speisung in allen Betriebsfällen, d. h. sowohl in der Anlaufphase als auch im Dauerbetrieb, sicherstellt. Damit entfällt die Notwendigkeit, gesonderte Einrichtungen für das Anlaufen der Schaltungsanordnung bereitzustellen. Demgegenüber ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung auf die Speisung einer Last ausgerichtet, die einen induktiven Lastanteil aufweist, der sich in der beschrie­ benen Weise aus wenigstens einer Wicklung mit wenigstens zwei Teilwicklungen zusammensetzt. Dies ist insbesondere für Elektromotoren gegeben, so daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eine sehr einfache, kostengünstige und damit für die Verwirklichung preiswerter Antriebe vorteil­ hafte Lösung darstellt. Dabei kann die Spannung zum Speisen der Steueranordnung ohne weiteres das Doppelte der von der Quelle abgegebenen Gleichspannung betragen. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eignet sich daher bevorzugt für die Speisung der beschriebenen Antriebe aus Quellen mit niedriger Gleichspannung, vorzugsweise Batterie, Akkumulatoren oder dergleichen.

Die erfindungsgemäß ausgenutzte Kopplung der Teilwick­ lungen elektrisch und magnetisch in der Art eines Spar­ transformators ist dabei derart auszuführen, daß die von der Quelle an eine der Teilwicklungen angelegte Spannung über die magnetische Kopplung in der jeweils anderen Teil­ wicklung eine Spannung induziert, die mit der Spannung an der ersten Teilwicklung phasenrichtig überlagert eine vergrößerte, im Idealfall verdoppelte Spannung ergibt.

Dazu sind die Teilwicklungen vorzugsweise an je einem ihrer Anschlüsse elektrisch miteinander über einen Mitten­ anschluß verbunden, der mit einem Pol der Quelle verbunden ist, deren zweiter Pol über je eine der Schaltvorrich­ tungen mit je einem der Endanschlüsse verbindbar ist. Dabei werden beide Teilwicklungen bei einer Ausgestaltung der induktiven Last als Elektromotor, vorzugsweise als Synchronmotor, derart gespeist, daß sie eine gleichsinnige Drehung des Rotors dieses Motors im Betrieb bewirken. Die Gegeninduktivität der beiden Teilwicklungen wird zur Erzeugung der Spannungen zum Speisen der Steueranordnung ausgenutzt.

Vorzugsweise werden die Spannungen zum Speisen der Steuer­ anordnung von den Endanschlüssen über Gleichrichter­ elemente abgegriffen und in einem die Steueranordnung überbrückenden Speicherkondensator geglättet. Die Zusammenschaltung aus den Gleichrichterelementen und dem Speicherkondensator kann darüber hinaus in vorteilhafter Weise den Zweck erfüllen, Spannungsspitzen über den Schaltvorrichtungen zu dämpfen.

Da der Steueranordnung, die in der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung vorgesehen ist, eine Versorgungs­ spannung zugeleitet wird, die größer ist als die von der Quelle abgegebene Gleichspannung, kann diese Steueranord­ nung bevorzugt eine Zeitgeberschaltung umfassen, die eben­ falls für diese hohe Versorgungsspannung dimensioniert ist. Vorteilhaft können dadurch Zeitgeberschaltungen von standardisiertem Typ zum Einsatz gelangen, bei deren Auswahl die niedrige Gleichspannung der Quelle erfindungsgemäß kein Hindernis darstellt.

Eine weitere Vereinfachung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird dadurch erzielt, daß die der zweiten Teilwicklung zugeordnete Schaltvorrichtung als invertierende Ansteuerschaltung für die der ersten Teilwicklung zugeordnete Schaltvorrichtung dient. Damit wird eine gesonderte, invertierende Treiberstufe für die Ansteuerung der der ersten Teilwicklung zugeordneten Schaltvorrichtung eingespart. Dies führt einerseits zu einer Reduzierung des Bauteileaufwandes und damit der Baugröße und Herstellungskosten und erweitert andererseits die Auswahlmöglichkeit für die Steueranordnung und die darin umfaßte Zeitgeberschaltung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im nachfolgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine blockschematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels für die Speisung eines einphasigen Synchronmotors,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für eine Speisung eines dreiphasigen Synchronmotors.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind zwei Teilwick­ lungen 1, 2, die gemeinsam eine mittelangezapfte Wicklung eines zu betreibenden Synchronmotors M bilden, miteinander über einen Mittenanschluß 3 verbunden, der mit dem positiven Pol 4 einer eine Gleichspannung abgebenden Quelle 5 verbunden ist. Die Quelle ist vereinfacht als Batterie dargestellt, kann jedoch auch von anderer Bauform sein. Die Teilwicklungen 1, 2 des Synchronmotors M bilden über die durch den magnetischen Körper 6 des Synchron­ motors M bewirkte magnetische Gegenkopplung einen Spar­ transformator, dessen Endanschlüsse von zwei vom Mitten­ anschluß 3 abgewandte Anschlüsse 7 bzw. 8 der Teil­ wicklungen 1 bzw. 2 gebildet werden. Der der ersten Teil­ wicklung 1 zugeordnete Endanschluß 7 ist über den Haupt­ strompfad einer ersten Schaltvorrichtung 9, der der zweiten Teilwicklung 2 zugeordnete Endanschluß 8 ist über den Hauptstrompfad einer zweiten Schaltvorrichtung 10 mit einem negativen Pol 11 der Quelle 5 verbindbar. Die Schaltvorrichtungen 9, 10 sind bevorzugt als MOS-Feld­ effekttransistoren ausgebildet, können jedoch auch in anderer, die erwünschte Schaltfunktion sicherstellender Weise aufgebaut sein. Im Beispiel nach Fig. 1 bilden die mit den Teilwicklungen 1 bzw. 2 verbundenen Anschlüsse der MOS-Feldeffekttransistoren 9 bzw. 10 deren Drain- Anschlüsse, während die Source-Anschlüsse mit dem negativen Pol 11 der Quelle 5 verbunden sind. Ein Gate- Anschluß des MOS-Feldeffekttransistors, der die erste Schaltvorrichtung 9 bildet, stellt einen Steueranschluß 12 dieser ersten Schaltvorrichtung 9 dar und ist mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Endanschluß 8 der zweiten Teilwicklung 2 und dem Drain-Anschluß der zweiten Schalt­ vorrichtung 10 verbunden. Mit diesem Verbindungspunkt ist außerdem der Anodenanschluß eines ersten Gleichrichter­ elementes 13 verbunden, dessen Kathodenanschluß zusammen mit dem Kathodenanschluß eines zweiten Gleichrichter­ elements mit einem positiven Versorgungsspannungs­ anschluß 15 einer Steueranordnung 16 sowie einem Anschluß eines Speicherkondensators 17 verbunden ist. Ein zweiter Anschluß dieses Speicherkondensators 17 sowie ein negativer Versorgungsspannungsanschluß 18 der Steuer­ anordnung 16 sind mit dem negativen Pol 11 der Quelle 5 verbunden. Ein Steuerausgang 19 der Steueranordnung 16 ist mit einem Steueranschluß 20 der zweiten Schaltvorrich­ tung 10 gekoppelt, im vorliegenden Fall gebildet durch einen Gate-Anschluß des die zweite Schaltvorrichtung 10 bildenden MOS-Feldeffekttransistors. Der Anodenanschluß des zweiten Gleichrichterelements 14 ist mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Endanschluß 7 der ersten Teilwicklung 1 und der ersten Schaltvorrichtung 9 verbunden.

Die die beiden Schaltvorrichtungen 9, 10 bildenden MOS- Feldeffekttransistoren sind als sogenannte "Logic-Level- MOS-FETs" mit niedriger "Threshold-Spannung" ausgeführt und derart dimensioniert, daß die von der Quelle 5 gelieferte Gleichspannung gerade soweit zum Durchschalten der Hauptstrompfade der Feldeffekttransistoren ausreicht, daß ein begrenzter Strom in diesen Hauptstrompfaden fließen kann. Beispielsweise ist die Quelle 5 als Nickel- Cadmium-Batterie mit zwei Zellen ausgebildet, die eine Nennspannung von 2,4 V abgibt. Die Steueranordnung 16 enthält eine Zeitgeberschaltung des standardisierten Typs NE 555, die bei einer Versorgungsspannung von 2,4 V noch nicht betrieben werden kann.

Bei Inbetriebnahme der Schaltungsanordnung, d. h. beim Anschließen der Quelle 5 an die übrige Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1, ist der Speicherkondensator 17 zunächst entladen. Der Steueranordnung 16 wird damit zunächst noch keine Versorgungsspannung zugeführt, so daß sie am Steuer­ ausgang 19 noch keine Steuerspannung abgeben kann. Dem­ zufolge bleibt die zweite Schaltvorrichtung 10 über den Steueranschluß 20 zunächst gesperrt, am Endanschluß 8 der zweiten Teilwicklung 2 kann sich somit im Augenblick des Einschaltens der Quelle 5 eine hohe Spannung ausbilden, d. h. es tritt hier die von der Quelle 5 abgegebene Spannung auf. Diese liegt auch am Steueranschluß 12 der ersten Schaltvorrichtung 9 an und schaltet diese in den leitenden Zustand. Dadurch wird die erste Teilwicklung 1 mit der von der Quelle 5 abgegebenen Gleichspannung beauf­ schlagt. Da die erste und die zweite Teilwicklung 1, 2 einen Spartransformator bilden, entsteht nun am End­ anschluß 8 der zweiten Teilwicklung 2 dieses Spartrans­ formators eine dem Verhältnis der Windungszahlen der Teil­ wicklungen 1, 2 entsprechende Spannung. Wenn die Teil­ wicklungen 1, 2 vorzugsweise identisch dimensioniert sind, steigt die Spannung am Endanschluß 8 der zweiten Teil­ wicklung 2 im Augenblick des Einschaltens der Quelle 5 auf das Doppelte der von ihr abgegebenen Gleichspannung an. Durch diese in Fig. 1 mit U8 bezeichnete Spannung wird über das erste Gleichrichterelement 13 der Speicher­ kondensator 17 aufgeladen. Damit steht nun an den Anschlüssen des Speicherkondensators 17 und damit an den Versorgungsspannungsanschlüssen 15, 18 der Steueranord­ nung 16 eine Versorgungsspannung zur Verfügung, durch die die Steueranordnung 16 und damit die darin enthaltene Zeitgeberschaltung in Betrieb gesetzt werden. Die Steuer­ anordnung 16 schaltet nun über ihren Steuerausgang 19 die zweite Schaltvorrichtung 10 an ihrem Steueranschluß 20 periodisch in den leitenden und den gesperrten Zustand. Entsprechend wird gegenphasig die erste Schaltvorrich­ tung 9 über den Steueranschluß 12 abwechselnd in den gesperrten und den leitenden Zustand geschaltet. Damit fließt von der Quelle 5 im Takt des Schaltens der Schalt­ vorrichtungen 9, 10 ein Strom zum Speisen des Synchron­ motors M abwechselnd durch die beiden Teilwicklungen 1 bzw. 2, wodurch der Motor M angetrieben wird. An dem End­ anschluß 7 bzw. 8, der der jeweils gesperrten Schalt­ vorrichtung 9 bzw. 8 zugeordnet ist, entsteht dabei auch im Betrieb durch die magnetische Kopplung der einen Spar­ transformator bildenden Teilwicklungen 1, 2 in jeder Schaltperiode der Schaltvorrichtungen 9, 10 wieder ein hoher Spannungsimpuls. Diese Spannungsimpulse werden über die Gleichrichterelemente 13, 14 gleichgerichtet und zum Nachladen des Speicherkondensators 17 und zum Speisen der Steueranordnung 16 verwendet.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches sich an das erste Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 anlehnt und eine Schaltungsanordnung für einen dreiphasigen Synchronmotor zeigt, ist in Fig. 2 dargestellt. Darin sind die zu Fig. 1 bereits beschriebenen Bestandteile wieder mit identischen Bezugszeichen versehen. Die Bestandteile der Schaltungsanordnung nach Fig. 2, die gegenüber der­ jenigen nach Fig. 1 in dreifacher Anordnung vorgesehen sind, sind mit den aus Fig. 1 bekannten Bezugszeichen, ergänzt um einen Buchstaben R, S bzw. T für die drei Phasen R, S und T eines Dreiphasenmotors (Drehstrom­ motors), versehen. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind drei Exemplare der aus Fig. 1 entnehmbaren Anordnung aus Wicklung 1, 2, Schaltvorrichtungen 9, 10, Gleich­ richterelementen 13, 14 und Speicherkondensator 17 bezüglich der Quelle 5 parallelgeschaltet. Der jeweils zweiten Schaltvorrichtung 10R, 10S und 10T werden über Steuerausgänge 19R, 19S bzw. 19T Steuersignale zum phasen­ richtigen Ansteuern der Schaltvorrichtungen 9R, 9S, 9T, 10R, 10S bzw. 10T zugeführt. Für die Speisung der gemäß Fig. 2 für alle drei Wicklungen 1R, 2R, 1S, 2S bzw. 1T, 2T Steuersignale liefernden Steueranordnung 16 ist ein gemeinsamer Speicherkondensator 17 vorgesehen, mit dem alle Gleichrichterelemente 13R, 13S, 13T, 14R, 14S bzw. 14T verbunden sind. Die gemeinsame Steueranordnung 16 kann wiederum eine standardisierte Zeitgeberschaltung, beispielsweise vom Typ NE555, umfassen, die eine impuls­ förmige Steuerspannung abgibt, aus der phasenrichtig versetzte Steuersignale für die drei Steuerausgänge 19R, 19S bzw. 19T erzeugt werden.

In einem Dimensionierungsbeispiel wurde als Quelle 5 eine Ni-Cd-Batterie mit zwei Zellen eingesetzt, die eine Nenn­ spannung von insgesamt 2,4 V aufweist. Mit dieser Spannung wird noch ein sicheres Anlaufen einer mit der standardi­ sierten Zeitgeberschaltung NE555 ausgerüsteten Steuer­ anordnung 16 gewährleistet.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zum Betreiben einer induktiven Last (M) mit mindestens einer Wicklung (1, 2), wovon jede wenigstens eine erste (1) und eine zweite Teilwicklung (2) umfaßt, welche einerseits über durch eine Steueranordnung (16) periodisch betriebene Schaltvorrichtungen (9, 10) abwechselnd mit einer im wesentlichen eine Gleich­ spannung (U5) abgebenden Quelle (5) zum Zuführen von Energie zur Last (M) verbindbar und andererseits elektrisch (3) und magnetisch (6) in der Art eines Spar­ transformators gekoppelt sind, von dessen Endanschlüssen (7, 8), die durch nicht miteinander verbundene Anschlüsse der Teilwicklungen (1, 2) gebildet werden, Spannungen (z. B. U8) zum Speisen der Steueranordnung (16) abgreifbar sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Last (M) von einem Synchronmotor gebildet ist.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilwicklungen (1, 2) an je einem ihrer Anschlüsse elektrisch miteinander über einen Mittenanschluß (3) verbunden sind, der mit einem Pol (4) der Quelle (5) verbunden ist, deren zweiter Pol (11) über je eine der Schaltvorrichtungen (9, 10) mit je einem der Endanschlüsse (7, 8) verbindbar ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen (z. B. U8) zum Speisen der Steueranordnung (16) von den Endanschlüssen (7, 8) über Gleichrichterelemente (13, 14) abgreifbar sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen die Steueranordnung über­ brückenden Speicherkondensator (17).

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueranordnung (16) eine Zeitgeberschaltung, vorzugsweise von standardisiertem Typ, umfaßt, deren Versorgungsspannung größer ist als die von der Quelle (5) abgegebene Gleichspannung (U5).

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die der zweiten Teilwicklung (2) zugeordnete Schaltvorrichtung (10) als invertierende Ansteuerschaltung für die der ersten Teilwicklung (1) zugeordnete Schaltvorrichtung (9) dient.