DE4423816A1 - Speiseschaltung zum Betrieb eines Wechselstrommotors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Speiseschaltung zum Betrieb eines Wechselstrommotors der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Es ist allgemein bekannt, kollektorlose Wechselstrommotoren an einer Gleichstromquelle mit Hilfe von Schalt- und Steuerein­ richtungen zu betreiben. Hierbei werden allgemein Dreiphasen- Drehstrommotoren verwendet, die zumindestens drei Wicklungen aufweisen, so daß der Motor relativ aufwendig und kostspielig aufgebaut ist.

Für Wechselstrom-Netzbetrieb sind Zweiphasenmotoren mit Hilfs­ phasen zum Anlauf oder zum Anlauf und Betrieb bekannt. Diese Motoren weisen verglichen mit Dreiphasen-Drehstrommotoren einen vereinfachten Wicklungsaufbau auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Speiseschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen vereinfachten Aufbau sowohl der Steuer- und Schalteinrichtungen als auch des Motors selbst ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Speiseschaltung ist es möglich, als Wechselstrommotor einen Zweiphasenmotor mit einer Hilfsphase zu verwenden, wobei die Wicklung der Hilfsphase gleich oder unterschiedlich wie die Wicklung der Hauptphase dimensioniert sein kann. Die Steuerschaltung ist vorzugsweise ein Mikroprozessor, der die erforderlichen impulslängenmodulierten Steuersignale in Abhängigkeit von der gewünschten Drehzahl des Motors liefert.

Der durch die Wicklungen des Motors fließende Strom wird vorzugsweise gemessen und der Steuerschaltung als weiteres Steuersignal zugeführt.

Gemäß der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es zur Erzeugung des sinusförmigen Stromes durch die Wicklungen aus­ reichend, nur einen der jeweils die Pole der Gleichstromquelle mit den Wicklungen verbindenden Schalter mit impulslängen­ modulierten Steuersignalen zu steuern, während der andere je­ weilige Schalter dauernd während der entsprechenden Sinushalb­ welle geschlossen ist.

Dieser während einer Sinushalbwelle dauernd geschlossene Schalter ist vorzugsweise der mit dem positiven Pol der Gleich­ stromquelle verbundene Schalter, so daß dieser Schalter ein Schalter mit relativ langsamen und damit preiswerten Bauteilen sein kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild einer ersten Ausführungsform der Speiseschaltung,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines der Doppel­ schalter nach Fig. 1,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines der Doppelschalter nach Fig. 1,

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines der Doppelschalter nach Fig. 1,

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines der Doppelschalter nach Fig. 1,

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines der Doppelschalter nach Fig. 1,

Fig. 7 Schwingungsformen der Spannung, die gemäß einer Ausführungsform den jeweiligen Enden einer Wicklung über ein Doppelschalter-Paar zugeführt werden,

Fig. 8 Schwingungsformen der Spannung, die gemäß einer abgeänderten Ausführungsform den jeweiligen Enden einer Wicklung über ein Doppelschalter- Paar zugeführt werden,

Fig. 9 Schwingungsformen der Spannung an der Haupt­ bzw. Hilfsphase,

Fig. 10 eine abgeänderte Ausführungsform der Speise­ schaltung.

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform der Speiseschaltung dargestellt, die zum Betrieb eines Zweiphasenmotors 1 mit einer Hauptphase 3 und einer Hilfsphase 2 zum Anlauf oder zum Anlauf und Betrieb ausgebildet ist.

Die Wicklung der Hilfsphase 2 kann entsprechend abweichend von oder gleich der Hauptphase 3 dimensioniert sein.

Jede Phase 2, 3 wird durch je zwei Doppelschalter 6, 7 bzw. 4, 5 gesteuert, die ihrerseits von einer digitalen elektronischen Steuerschaltung 9, wie z. B. einem Mikroprozessor, gesteuert werden.

Mit einem Widerstand 8 wird der von dem Motor insgesamt aufge­ nommene Strom gemessen und der elektronischen Steuerschaltung 9 zugeführt.

Die elektronischen Doppelschalter 4 bis 7 schalten den einen oder den anderen Pol der Gleichstromquelle Us an die jeweilige Wicklung 2, 3 oder unterbrechen den Strom an diese Wicklung.

Ausführungsbeispiele der Doppelschalter 4 bis 7 bei niedriger Speisespannung sind in den Fig. 2 bis 6 gezeigt.

Die Doppelschalter nach den Fig. 2, 3 und 6 bestehen jeweils aus einem N-Kanal-Feldeffekt- (oder gegebenenfalls einem bipolaren NPN-) Leistungstransistor 10, der einen jeweiligen Anschluß der zugehörigen Wicklung 2 bzw. 3 (über den Widerstand 8) mit dem negativen (Erd-) Anschluß der Speisespannung verbinden kann, und einem P-Kanal-Feldeffekt- oder bipolaren PNP-Leistungstransistor 11, der den jeweiligen Anschluß der zugehörigen Wicklung mit dem positiven Anschluß der Speisespannung Uss verbinden kann.

Obwohl dies in den Fig. 2 bis 6 nicht dargestellt ist, ist es für den Fachmann verständlich, daß die Schalttransistoren der Doppelschalter entweder integrierte Freilaufdioden aufweisen oder mit derartigen Freilaufdioden beschaltet sind.

Die Steuerung der Leistungstransistoren 10, 11 ,erfolgt mit in üblicher Weise aufgebauten integrierten Treiberschaltungen 12 (Fig. 2 und 4) oder mit diskret aufgebauten Transistorschal­ tungen 13 mit Bipolar- oder Feldeffekttransistoren (Fig. 3, 5 und 6).

Wie dies in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist, kann auch ein N-Kanal-Feldeffekttransistor 11a (oder ein bipolarer NPN-Tran­ sistor) zur Durchschaltung der positiven Spannung eingesetzt werden, wenn eine zusätzliche Steuerschaltungs-Versorgungs­ spannung Uv, deren Potential höher als das der Speisespannung Uss ist, verwendet wird.

Bei der Ausführungsform des Doppelschalters nach Fig. 6 wird zur Durchschaltung des positiven Anschlusses der Speisespannung ein bipolarer PNP-Transistor 11b verwendet.

Potentialfreie Schaltungen, wie sie bei den Umrichtern für Dreiphasendrehstromantriebe heute allgemein eingesetzt werden, sind ebenfalls möglich.

Die Steuerschaltung 9 liefert an die Steueranschlüsse A und B der Doppelschalter zueinander invertierte Steuersignale, so daß, wenn der mit dem positiven Anschluß der Speisespannung verbun­ dene Transistor 11 (bzw. 11a, 11b) eines Doppelschalters durch­ geschaltet ist, der mit dem negativen Anschluß der Speisespan­ nung verbundene Transistor 10 dieses Doppelschalters gesperrt ist, und umgekehrt.

Die Steuersignale der der Hauptwicklung 3 zugeordneten Doppel­ schalter 4, 5 sind hierbei gegenüber den Steuersignalen der der Hilfsphase 2 zugeordneten Doppelschalter 6, 7 um 90 Grad phasen­ verschoben.

Weiterhin ist selbstverständlich der jeweilige Steueranschluß A eines Doppelschalters (z. B. 4) eines Doppelschalter-Paares (z. B. 4, 5) mit dem jeweiligen Steueranschluß B des anderen Doppel­ schalters (z. B. 5) dieses Paares verbunden.

Zum Betrieb des Motors verbinden die jeweiligen Doppelschalter- Paare 4, 5 bzw. 6, 7 jeweils einen Anschluß einer jeweiligen Wicklung 2 bzw. 3 mit dem positiven Anschluß der Speisespannung und den anderen Anschluß dieser Wicklung mit dem negativen Anschluß der Speisespannung.

Durch Impulslängenmodulation der den Steueranschlüssen A bzw. B der Doppelschalter von der Steuerschaltung 9 zugeführten Steuersignale kann dabei ein sinusförmiger Strom gemäß Fig. 9 in der jeweiligen Wicklung erzeugt werden.

Fig. 7 zeigt die an den Ausgangsanschlüssen C bzw. C′ eines Doppelschalter-Paares auftretenden und den jeweiligen Enden einer Wicklung zugeführten Spannungen.

Die Doppelschalter werden dabei so gesteuert, daß in den beiden Wicklungen 3 und 2 zwei vorzugsweise um 90° verschobene sinus­ förmige Ströme gemäß Fig. 9 fließen und das Drehfeld erzeugen. Dieses treibt den Rotor des Motors an. In Abhängigkeit von der Ausgestaltung der Wicklung des Motors können selbstverständlich auch andere Phasenunterschiede erforderlich oder sinnvoll sein.

Zur Erzeugung der sinusförmigen Ströme ist es ausreichend, wenn nur ein Schalter eines jeweiligen Doppelschalters mit impuls­ längenmodulierten Steuersignalen angesteuert wird, während der andere Schalter der Doppelschalter, vorzugsweise der mit dem positiven Anschluß der Speisespannung verbundene Schalter dieser Doppelschalter, während der Sinushalbwelle dauernd durchgeschal­ tet ist, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist, die in ähnlicher Weise wie in Fig. 7 die Ausgangssignale des einer Wicklung zugeordne­ ten Doppelschalter-Paares zeigt. Damit kann der letztgenannte Schalter ein einfacherer Schalter mit relativ langsamen und preiswerten Bauteilen sein.

Eine entsprechende Ausführungsform der Speiseschaltung ist in Fig. 10 gezeigt. Hierbei sind die Anschlüsse A der Doppelschal­ ter eines Paares über einen Inverter 14 miteinander verbunden und werden von der Steuerschaltung 9 über Rechtecksignale mit einer der in den Wicklungen 2, 3 zu erzeugenden Sinusschwingung entsprechenden Periodendauer angesteuert.

Der zu verwendende Zweiphasen-Wechselstrommotor ist einfacher aufgebaut und daher preiswerter als ein Dreiphasen-Drehstrom­ motor.

Derartige Zweiphasen-Wechselstrommotoren werden heute allgemein als Kondensatormotoren für Netzspannung eingesetzt. Die be­ schriebene Speiseschaltung nach den Fig. 1 bzw. 10 ermöglicht die Verwendung eines derartigen Zweiphasen-Wechselstrommotors bei entsprechender Bemessung der Wicklungen als Niederspannungs­ motor ohne die Verwendung eines Kondensators.

Für die Durchschaltung der Spannung an den Zweiphasen-Wechsel­ strommotor ist zwar gegenüber dem Dreiphasen-Drehstrommotor ein zusätzlicher Doppelschalter erforderlich, dieser kann aber ein­ facher aufgebaut werden, da beispielsweise bei der Ausführungs­ form nach den Fig. 8 und 10 ein Schalter, z. B. der mit dem positiven Anschluß der Speisespannung verbundene Schalter, nur relativ langsam durchschalten muß. Weiterhin können die Doppel­ schalter 6, 7 der Hilfsphase 2, wenn die schwächer als die Hauptphase 3 ausgelegt wird, einfacher aufgebaut werden.

Die Steuerschaltung 9 kommt mit weniger Leistungsfähigkeit, d. h. Rechenleistung beim Mikroprozessor aus, da nur zwei Phasen erzeugt werden müssen.

Claims (7)

1. Speiseschaltung zum Betrieb eines Wechselstrommotors aus einer Gleichstromquelle, mit Schalteinrichtungen zur gesteuerten Zuführung der Speisespannung der Gleichstromquelle an die Phasenwicklungen des Wechselstrommotors und mit einer Steuer­ schaltung zur Steuerung der Schalteinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstrommotor ein Zwei­ phasenmotor mit einer Hauptphasenwicklung (3) und einer Hilfs­ phasenwicklung (2) ist, daß die Schalteinrichtungen (4-7) jeweilige elektronische Doppelschalter (4, 5 bzw. 6, 7) zur Polumschaltung der Anschlüsse der Haupt- bzw. Hilfsphasenwick­ lung (3, 2) einschließen, und daß die Steuerschaltung (9) impulslängenmodulierte Steuersignale an die Doppelschalter (4-7) derart liefert, daß zwei gegeneinander phasenverschobene sinusförmige Ströme durch die beiden Wicklungen (2, 3) fließen.

2. Speiseschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einer Wicklung (2, 3) zugeordne­ ten Doppelschalter (4-7) jeweils ein Doppelschalter-Paar (4, 5 bzw. 6, 7) bilden, daß jeder Doppelschalter einen mit einem jeweiligen Anschluß der zugehörigen Wicklung (2, 3) verbundenen Ausgangsanschluß (C, C′), einen ersten, zwischen dem positiven Pol der Gleichstromquelle dem Ausgangsanschluß eingeschalteten Schalttransistor (11; 11a; 11b), einen zweiten, zwischen dem negativen Pol der Gleichstromquelle eingeschalteten Schalt­ transistor (10) und jeweilige mit den Steuerelektroden der Schalttransistoren verbundene Treiberschaltungen (12; 13) aufweist, die mit der Steuerschaltung (9) verbundene Eingangs­ anschlüsse (A, B) aufweisen.

3. Speiseschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsanschlüsse (A, B) der Treiberschaltungen (12; 13) der Doppelschalter eines Doppel­ schalterpaares überkreuzt miteinander und mit der Steuerschal­ tung (9) verbunden sind, die gegenphasige impulslängenmodulierte Steuersignale derart liefert, daß jeweils mit entgegengesetzten Polen der Gleichstromquelle verbundene Leistungstransistoren des Doppelschalterpaares (4, 5 bzw. 6, 7) impulsförmig durchgeschaltet werden.

4. Speiseschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsanschlüsse (A) der Treiberschaltungen für die mit einem Pol der Gleichstromquelle verbundenen Leistungstransistoren (11, 11a, 11b) eines Doppel­ schalter-Paares (4, 5 bzw. 6, 7) über Inverter (14) miteinander verbunden und von der Steuerschaltung (9) derart gesteuert sind, daß während jeweiliger Halbperioden der in den Phasenwicklungen (2, 3) fließenden Ströme der mit diesem Pol verbundene Leistungs­ transistor eines Doppelschalters des Doppelschalter-Paares dauernd durchgeschaltet ist und einen Anschluß der zugehörigen Wicklung mit diesem Pol verbindet, während der mit dem anderen Pol der Gleichstromquelle verbundene Leistungstransistor (10) des mit dem jeweils anderen Anschluß dieser Wicklung verbundenen Doppelschalters des Doppelschalter-Paares durch impulslängen­ modulierte Steuersignale zur Erzielung eines sinusförmigen Verlaufes des Stromes in der jeweiligen Wicklung impulsförmig durchgeschaltet wird.

5. Speiseschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils der mit dem positiven Pol der Gleichstromquelle verbundene Leistungstransistor (11; 11a; 11b) während einer Halbperiode der Wechselspannung dauernd durchgeschaltet ist.

6. Speiseschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelschalter durch P- bzw. N-Kanal-Feldeffekttransistoren gebildet sind.

7. Speiseschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Wicklungen (2, 3) fließende Strom in einer Meßeinrichtung (8) gemessen und der Steuerschaltung (9) als Steuersignal zugeführt wird.