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Schutzschaltung für einen Gleichstrommotor und Verfahren zum Steuern des Gleichstrommotors - Dokument DE10049755A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10049755A1 08.05.2002
Titel Schutzschaltung für einen Gleichstrommotor und Verfahren zum Steuern des Gleichstrommotors
Anmelder Knorr-Bremse Systeme für Schienenfahrzeuge GmbH, 80809 München, DE
Erfinder Jeromin, Martin, 63165 Mühlheim, DE
DE-Anmeldedatum 09.10.2000
DE-Aktenzeichen 10049755
Offenlegungstag 08.05.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.05.2002
IPC-Hauptklasse H02H 7/08
IPC-Nebenklasse H02P 1/18   H02P 6/20   H03K 17/30   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für einen Gleichstrommotor und ein Verfahren zum Steuern des Gleichstrommotors in seiner Anlaufphase, wobei der Gleichstrommotor einen Permanentmagnetstator aufweist und einen über einen Kommutator von einem Motorstrom durchflossenen Rotor. Darüber hinaus weist die Schutzschaltung eine Freilaufdiode parallel zur Versorgungsspannung auf und einen Meßwiderstand für den Motorstrom. Der Meßwiderstand ist dazu in Reihe mit der Freilaufdiode geschaltet, und eine Versorgungsspannung wird über einen elektronischen Leistungsschalter, der zwischen einer ersten der Elektroden der Versorgungsspannung und einem Knotenpunkt zwischen der Freilaufdiode und dem Meßwiderstand angeordnet ist, an den Gleichstrommotor gelegt. Dabei ist eine Steuerelektrode des Leistungsschalters an einen Ausgang eines Komparators angeschlossen, und ein erster Eingang des Komparators ist an dem Knotenpunkt und ein zweiter Eingang des Komparators ist mit einem Schwellenwertgeber verbunden, so daß die Verbindung zwischen der ersten Elektrode der Versorgungsspannung und dem Knotenpunkt oberhalb eines oberen Schwellenwertes unterbrochen und erst wiederhergestellt wird, wenn der untere Schwellenwert unterschritten wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für einen Gleichstrommotor und ein Verfahren zum Steuern eines Gleichstrommotors mit einem Permanentmagnetstator, einem über einen Kommutator von einem Motorstrom durchflossenen Rotor, einer Freilaufdiode und einem Meßwiderstand.

Gleichstrommotoren mit Permanentmagnet-Statorerregerfeld weisen im Anlaufverhalten eine kurzzeitige hohe Stromspitze auf. Diese ist um so stärker ausgeprägt, je größer das anstehende Lastmoment ist. Entsprechend muß auch die Absicherung des Motors ausgelegt sein.

Während des Anlaufens eines Gleichstrommotors mit Permanentmagnet-Statorerregerfeld versetzt sich der vom Motorstrom durchflossene Rotor des Motors bezogen auf die Zeitkonstante des induktiven Rotors nur sehr langsam in eine Drehbewegung. Infolgedessen baut sich auch die motorspezifische Induktionsspannung des Rotors ebenfalls nur langsam und allmählich auf. Zeitgleich führt die um die Induktionsspannung verminderte Versorgungsspannung des Motors zur Ausbildung des spannungsabhängigen Motorstroms. Dieser ist im Anstiegsverhalten von der Eigeninduktivität des Rotors gebremst und erreicht im ungünstigsten Fall einen Wert entsprechend dem Ohmschen Gesetz. Dies bedeutet, daß aufgrund des geringen Ohmschen Widerstands der Rotorwicklung ein entsprechend großer Anlaufstrom fließt.

Da alle Dauermagnete und damit auch der Permanentmagnetstator nur eine endliche Koerzitivfeldstärke besitzen, kann es somit während des Motoranlaufs als Folge der durch den Rotor fließenden hohen Motorströme in der Anlaufphase zu einer irreversiblen Schädigung der Dauermagnete kommen. Daraus resultiert eine Magnetfeldschwächung, so daß einerseits die Motordrehzahl ansteigt, aber gleichzeitig eine Verschlechterung der zukünftigen Anlaufbedingungen auftritt.

Es ist bekannt, daß zum Einschalten eines permanentmagneterregten Gleichstrommotors ein Zuschalten des Motors mit Hilfe eines den gesamten Motorstrom schaltenden Schützes erfolgt. Die Absicherung des Motors erfolgt in Abhängigkeit von einem kurzzeitig auftretenden angenommenen Anlaufstrom. Dieser beträgt jedoch ein Vielfaches des Motornennstromes. Demgemäß muß ein entsprechend stromfester Schaltschütz von beträchtlichem Volumen vorgesehen werden. Auch die Dimensionierung der Motorsicherung wird, da die hohen kurzzeitigen Anlaufströme zu berücksichtigen sind, entsprechend hoch ausfallen. Schließlich muß eine entsprechend ergiebige Stromquelle bzw. Spannungsquelle zur Aufbringung des Nennstromes vorgesehen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile im Stand der Technik zu überwinden und eine Schutzschaltung für einen Gleichstrommotor und ein Verfahren zum Steuern des Gleichstrommotors in der Anlaufphase anzugeben, das eine Anlaufstrombegrenzung mit einer preiswerten Schutzfunktion vorsieht.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Gegenstände. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Eine erfindungsgemäße Schutzschaltung für einen Gleichstrommotor mit einem Permanentmagnetstator und einem über einen Kommutator von einem Motorstrom durchflossenen Rotor, einer Freilaufdiode und einem Meßwiderstand für den Motorstrom ist dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand in Reihe mit der Freilaufdiode geschaltet ist und eine Versorgungsspannung über einen elektronischen Leistungsschalter, der zwischen einer ersten der Elektroden der Versorgungsspannung und einem Knotenpunkt zwischen der Freilaufdiode und dem Meßwiderstand angeordnet ist. Dabei ist die Steuerelektrode des Leistungsschalters an einen Ausgang eines Komparators angeschlossen und ein erster Eingang des Komparators ist mit dem Knotenpunkt verbunden, während ein zweiter Eingang des Komparators mit einem Schwellenwertgeber verbunden ist. Die Verbindung zwischen der ersten Elektrode der Versorgungsspannung und dem Knotenpunkt ist unterbrochen, sobald der obere Schwellenwert überschritten wird. Die Verbindung wird erst wiederhergestellt, wenn der untere Schwellwert unterschritten wird.

Es wird damit vorteilhaft zur Begrenzung des Anlaufstromes eines permanenterregten Gleichstrommotors die induktive Eigenschaft der Rotorwicklungen genutzt, die ein plötzliches und vollständiges Ansteigen bzw. Abfallen des Motorstromes verhindert. Mit dieser Lösung wird das Dauermagnetfeld des Stators gegen unzulässig hohe Ströme in vorteilhafter Weise abgesichert. Mit dieser Schutzschaltung wird gleichzeitig ein elektromechanischer Schaltschütz überflüssig, so daß in vorteilhafter Weise Verschleißteile, wie sie insbesondere die Kontakte eines Schaltschützes darstellen, vermieden werden. Schließlich können aufgrund der erfindungsgemäßen Schutzschaltung sowohl die Motorsicherungen als auch die für den Motor erforderliche Stromquelle in abgeschwächter Dimensionierung ausgeführt werden. Damit verbilligt sich gleichzeitig der Gesamtaufwand zur Steuerung und Versorgung eines Gleichstrommotors.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der elektronische Leistungsschalter ein Leistungshalbleiter. Derartige Leistungshalbleiter können in vorteilhafter Weise als Hochleistungstransistoren oder als Thyristoren ausgebildet sein.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird durch den Meßwiderstand im Rotorerregerstromkreis eine Meßspannung erzeugt, die als eine Eingangsgröße für einen Komparator der vorliegenden Erfindung dient. Entsprechend sind in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform die Schwellenwerte Spannungswerte, um sie mit der Meßspannung zu vergleichen und mit Hilfe des Komparators eine Steuerspannung an die Steuerelektrode des Leistungsschalters anzulegen.

Ein Verfahren zum Steuern des Gleichstrommotors in seiner Anlaufphase unter Anwendung der erfindungsgemäßen Schutzschaltung weist folgende Verfahrensschritte auf:

  • a) Einstellen eines unteren und oberen Schwellenwertes eines Schwellenwertgebers, wobei der obere Schwellenwert dem maximal zulässigen Motorstrom in der Anlaufphase des Gleichstrommotors entspricht und der untere Schwellenwert dem mittleren Anlaufstrom und/oder der Schalthäufigkeit des elektrischen Leistungsschalters angepaßt wird,
  • b) Anlegen einer Versorgungsspannung an den Gleichstrommotor über die Schutzschaltung,
  • c) beim Überschreiten des oberen Schwellenwertes automatisches Abschalten der Versorgungsspannung durch einen von einem Komparator angesteuerten elektronischen Leistungsschalter unter Freilaufen des Gleichstrommotors mittels Kurzschluß des Rotorerregerstromkreises über eine Freilaufdiode,
  • d) beim Unterschreiten des unteren Schwellenwertes Wiedereinschalten der Versorgungsspannung mittels des vom Komparator angesteuerten elektrischen Leistungsschalters.

Damit wird in vorteilhafter Weise in Abhängigkeit vom jeweiligen spannungsabhängigen Motorstrom die Steuerspannung eines zum Motor in Reihe geschalteten Leistungsschalters geregelt. Hierzu wird der Spannungsabfall an einem Meßwiderstand im Motorkreis mit einer Vergleichsspannung verglichen, die den maximal zulässigen Motorstrom in der Anlaufphase repräsentiert und damit die Abschaltschwelle als oberen Schwellenwert festlegt.

Sofern der benötigte Motorstrom geringer als der hinsichtlich des Dauermagnetfeldes zulässige Motorstrom ist, wird der Leistungsschalter ständig angesteuert, das heißt, die Versorgungsspannung liegt am Motor an und der Motorstrom kann sich motorspezifisch ausbilden. Erreicht jedoch der Motorstrom seinen zulässigen Grenzwert, wird die Steuerspannung des Leistungshalbleiters abgeschaltet, das bedeutet, daß die Versorgungsspannung des Motors durch den Leistungsschalter unterbrochen wird. Ein erneutes Zuschalten der Versorgungsspannung kann erst erfolgen, nachdem ein Unterschreiten einer unteren Stromgrenze aufgetreten ist, um damit die Anzahl der Schaltvorgänge und somit die in Wärme umgesetzte Verlustleistung zu vermindern.

Die Realisierung der unteren Stromgrenze und damit des unteren Schwellenwertes erfolgt über den Hysteresebetrieb des Komparators. Dabei ist die Spannung der Zuschaltschwelle oder der untere Schwellenwert kleiner als die Spannung der Abschaltschwelle oder des oberen Schwellenwertes.

Solange die Versorgungsspannung unterbrochen ist, hält die in der Induktivität des Rotors gespeicherte Energie über die zum Motor parallelgeschaltete Freilaufdiode einen sich zunehmend abschwächenden Stromfluß in unveränderter Richtung aufrecht.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Ansteuerung des Leistungsschalters nicht mehr unterbrochen, sobald der vom Motor benötigte Anlaufstrom dauerhaft unterhalb des zulässigen Maximalstromes bleibt. Damit liegt in vorteilhafter Weise die Versorgungsspannung ohne Unterbrechung am Motor an und es wird eine Magnetschwächung verhindert. Bei diesem Verfahren wird sichergestellt, daß die Schaltung nur während des Anlaufens kurzfristig mit Verlustleistung belastet wird und so eine preisgünstigere Auslegung des Motors, des Motorschutzes und der Stromquelle möglich werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Steuerspannung durch einen zum Gleichstrommotor in Reihe geschalteten Leistungshalbleiter geregelt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Spannungsabfall an einem Meßwiderstand im Rotorerregerstromkreis mit einer Vergleichsspannung, die den maximal zulässigen Rotorstrom repräsentiert, verglichen. Zu diesem Vergleich wird ein Komparator eingesetzt, der ständig eine Steuerspannung an die Steuerelektrode des Leistungsschalters liefert, solange eine oberer Schwellenwert nicht überschritten wird. Dieser Schwellenwert wird so eingestellt, daß der benötigte Motorstrom geringer bleibt als der hinsichtlich des Dauermagnetfeldes zulässige Motorstrom. Wird jedoch der obere Schwellenwert überschritten, wird durch den Leistungsschalter die Versorgungsspannung unterbrochen, und solange die Versorgungsschaltung unterbrochen ist, wird die in der Induktivität des Rotors gespeicherte Energie über die zum Gleichstrommotor parallel geschaltete Freilaufdiode bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung einen sich abschwächenden Stromfluß in unveränderter Richtung aufrechterhalten. Damit wird in vorteilhafter Weise die Induktivität der Wicklung des Rotors zum Schutz des Gleichstrommotors herangezogen.

Die Erfindung wird nun mit einer bevorzugten Ausführungsform anhand der beigefügten einzigen Fig. 1 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Schutzschaltung für einen Gleichstrommotor. Dieser Gleichstrommotor ist mit einem Permanentmagnetstator ausgestattet, wobei der Rotor über einen Kommutator von einem Motorstrom durchflossen wird. Parallel zu einer Versorgungsspannung UV ist eine Freilaufdiode 10 geschaltet. Die Kathode der Freilaufdiode 10 ist mit einem Knotenpunkt 2 verbunden. Zwischen dem Knotenpunkt 2 und dem Gleichstrommotor 1 ist ein Meßwiderstand 5 angeordnet. Die erste Elektrode 3 der Versorgungsspannung UV ist über einen elektronischen Leistungsschalter 4 mit dem Knotenpunkt 2 verbunden. Die zweite Elektrode 13 der Versorgungsspannung UV ist mit der Anode der Freilaufdiode verbunden.

Der Knotenpunkt 2 ist darüber hinaus mit einer ersten Eingangselektrode 9 eines Komparators 8 verbunden, und der Ausgangsanschluß 7 des Komparators 8 ist mit der Steuerelektrode 6 des Leistungsschalters 4 verbunden. Der zweite Eingang 11 des Komparators 8 ist mit einem nicht gezeigten Schwellenwertgeber verbunden, der eine Vergleichsspannung UVGL liefert. Der Schwellenwertgeber legt an den zweiten Anschluß 11 des Komparators 8 einen unteren Schwellenwert und einen oberen Schwellenwert.

Solange die Meßspannung USEN über den Meßwiderstand 5 zwischen dem Knotenpunkt 2 und dem Gleichstrommotor 1 die obere Schwellenspannung des Schwellenwertgebers nicht übersteigt, liegt an der Steuerelektrode 6 des Leistungsschalters 4 eine Steuerspannung UST an, die das Potential der ersten Elektrode 3 der Versorgungsspannung UV zu dem Knotenpunkt 2 und damit über den Meßwiderstand 5 zu dem Gleichstrommotor 1 durchschaltet.

Wird jedoch der obere Schwellenwert überschritten, unterbricht der Leistungsschalter 4 die Spannungsversorgung an den Gleichstrommotors 1 und ein Strom I fließt aufgrund der in der Spule des Rotors gespeicherten Energie über die Freilaufdiode 10 in gleichbleibender Richtung durch die Wicklung des Rotors, bis der untere Schwellenwert unterschritten wird und damit der Leistungsschalter 4 wieder durchschaltet und die Versorgungsspannung UV wieder in voller Höhe an den Gleichstrommotor legt. Mit dieser Ausführungsform wird erreicht, daß der Strom durch die Wicklung des Rotors des Gleichstrommotors 1 begrenzt niedrig gehalten wird, so daß selbst in der Anlaufphase keine Schädigung des Dauermagneten des Stators auftreten kann.

Die erfindungsgemäße Schutzschaltung entsprechend dieser Ausführungsform kann bei jeglichen Gleichstrommotoren mit Permanentmagneterregung angewandt werden. Bevorzugte Anwendungsbeispiele sind Kleinmotoren im Anlagen- und/oder Fahrzeugbau, wie z. B. Scheibenwischermotoren, Startermotoren und/oder Lüftermotoren. Darüber hinaus ist es vorzugsweise möglich, unter Modifikation der Erfindung ein rein zeitgesteuertes bzw. kombiniert Zeit-/stromgesteuertes oder gleitend geregeltes Zu- und Abschalten der Versorgungsspannung, beispielsweise mittels eines PID-Regelkreises, durchzuführen. Darüber hinaus ist es möglich, während des Anlaufvorgangs Vorschaltwiderstände zu verwenden, z. B. Leistungswiderstände oder Leistungshalbleiter. Jedoch werden durch die Leistungswiderstände erhebliche Verlustleistungen erzeugt, die eine entsprechende größere Dimensionierung der Bauteile erfordern. Alternativ können auch die Kohlewiderstände in dem Kommutatorsystem des Gleichstrommotors zur Strombegrenzung ausgelegt werden. Dieses birgt jedoch das Risiko der Eigenerwärmung der Kohlenwiderstände im Kommutatorsystem bei Anlaufphasen unter großen Lasten. Bezugszeichenliste 1 Gleichstrommotor

2 Knotenpunkt

3 erste Elektrode der Versorgungsspannung

4 Leistungsschalter

5 Meßwiderstand

6 Steuerelektrode des Leistungsschalters

7 Ausgang des Komparators

8 Komparator

9 erster Eingang des Komparators

10 Freilaufdiode

11 zweiter Eingang des Komparators

13 zweite Elektrode der Versorgungsspannung

UV Versorgungsspannung

UST Steuerspannung

UVGL Vergleichsspannung

USEN Meßspannung


Anspruch[de]
  1. 1. Schutzschaltung für einen Gleichstrommotor (1) mit einem Permanentmagnetstator, einem über einen Kommutator von einem Motorstrom durchflossenen Rotor, einer Freilaufdiode (10) und einem Meßwiderstand (5) für den Motorstrom, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (5) in Reihe mit der Freilaufdiode (10) geschaltet ist und eine Versorgungsspannung (UV) über einen elektronischen Leistungsschalter (4), der zwischen einer der Elektroden (3) der Versorgungsschaltung (UV) und einem Knotenpunkt (2) zwischen der Freilaufdiode (10) und dem Meßwiderstand (5) angeordnet ist, wobei eine Steuerelektrode (6) des Leistungsschalters (4) an einen Ausgang (7) eines Komparators (8) angeschlossen ist, und ein erster Eingang (9) des Komparators (8) mit dem Knotenpunkt (2) und ein zweiter Eingang (11) des Komparators (8) mit einem Schwellenwertgeber verbunden ist, so daß die Verbindung zwischen der ersten Elektrode (3), der Versorgungsspannung (UV) und dem Knotenpunkt (2) oberhalb eines oberen Schwellenwertes unterbrochen ist und erst wiederhergestellt wird, wenn der untere Schwellenwert unterschritten wird.
  2. 2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Leistungsschalter (4) ein Leistungshalbleiter ist.
  3. 3. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Meßwiderstand (5) im Motorkreis eine Meßspannung erfaßbar ist.
  4. 4. Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenwerte Spannungswerte sind.
  5. 5. Verfahren zum Steuern eines Gleichstrommotors (1) in seiner Anlaufphase unter Anwendung der Schutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das folgende Verfahrensschritte umfaßt:
    1. a) Einstellen eines unteren und eines oberen Schwellenwertes eines Schwellenwertgebers, wobei der obere Schwellenwert einem maximal zulässigen Motorstrom in der Anlaufphase des Gleichstrommotors (1) angepaßt wird und der untere Schwellenwert einem mittleren Anlaufstrom und/oder einer Schalthäufigkeit des Leistungsschalters angepaßt wird,
    2. b) Anlegen einer Versorgungsspannung (UV) an den Gleichstrommotor (1) über die Schutzschaltung,
    3. c) Automatisches Abschalten der Versorgungsspannung (UV) beim Überschreiten des oberen Schwellenwertes durch einen von einem Komparator (8) angesteuerten elektronischen Leistungsschalter (4) unter Freilaufen des Gleichstrommotors (1) mittels Kurzschluß des Rotorerregerstromkreises über eine Freilaufdiode (10),
    4. d) Automatisches Einschalten der Versorgungsspannung (UV) beim Unterschreiten des unteren Schwellenwertes mittels des von dem Komparator (8) angesteuerten elektronischen Leistungsschalters (4).
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung (UST) eines zum Gleichstrommotor (1) in Reihe geschalteten Leistungsschalters (4) geregelt wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsabfall (USEN) an einem Meßwiderstand (5) im Rotorerregerstromkreis mit einer Vergleichsspannung (UVGL), die den maximal zulässigen Motorstrom repräsentiert, verglichen wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der benötigte Motorstrom geringer als der hinsichtlich des Dauermagnetfeldes zulässige Motorstrom eingestellt wird.
  9. 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (8) im Hysteresebetrieb betrieben wird.
  10. 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß, solange die Versorgungsspannung (UV) unterbrochen wird, die in der Induktivität des Rotors gespeicherte Energie über die zum Gleichstrommotor (1) parallel geschaltete Freilaufdiode (10) einen sich abschwächenden Stromfluß in unveränderter Richtung aufrechterhält.
  11. 11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung des Leistungsschalters (4) nicht unterbrochen wird, solange der von dem Gleichstrommotor (1) aufgenommene Anlaufstrom unterhalb des zulässigen Maximalstromes liegt.






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