-
Die
Erfindung betrifft gemäß Oberbegriff
von Anspruch 1 einen Antrieb mit einem Elektromotor, der mittels
elektrischer Versorgungsleitungen an einen Umrichter angeschlossen
ist, wobei motornah am Elektromotor eine Motorelektronik angeordnet
ist, in der Daten hinterlegt sind und, die an zumindest eine der
Versorgungsleitungen angeschlossen ist, und der Umrichter eine Umrichter-Signaleinheit
und eine Umrichter-Leistungseinheit enthält.
-
Ein
derartiger Antrieb ist z.B. aus der
DE 102 54 080 A1 bekannt, in der aber außerdem,
wie auch in der
DE
100 12 799 A1 , ein ähnlicher
Antrieb beschrieben wird, bei dem für die Kommunikation zwischen
der Motorelektronik und der Umrichter-Signaleinheit eine von den Versorgungsleitungen
unabhängige
Datenleitung vorgesehen ist.
-
Mittels
der aus der Motorelektronik auslesbaren insbesondere motorspezifischen
Daten, die ein elektronisches Typenschild darstellen, kann der Umrichter
den Elektromotor mit einer automatisch angepassten Betriebsweise
ansteuern.
-
Der
Anschluss der Motorelektronik an den Umrichter ist bei den bekannten
Antrieben aufgrund der Vielzahl benötigter Einzelkomponenten zum
Teil mit erheblichem Aufwand verbunden. Dies gilt nicht nur beim
Einsatz einer gesonderten Datenleitung, sondern auch dann, wenn
die Datenkommunikation über
die elektrische Versorgungsleitung erfolgt.
-
Dann
ist die Motorelektronik beispielsweise mittels eines RC-Glieds aus einem
Widerstand und einer parallelen Kapazität oder mittels einer Reihenschaltung
mehrerer derartiger RC-Glieder
an die Versorgungsleitung angeschlossen. Es sind also mindestens
zwei, meistens sogar deutlich mehr Bauelemente notwendig. Darüber hinaus
kann zur Erzielung einer verlustarmen Datenkommunikation ein sehr
hoher Kapazitätswert
erforderlich sein, so dass ein großer und damit teurer spannungsfester
Kondensator verwendet werden muss.
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, einen Antrieb der eingangs
bezeichneten Art anzugeben, der einen effizienten Anschluss der
Motorelektronik an den Umrichter ermöglicht.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch einen Antrieb mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1. Der
erfindungsgemäße Antrieb
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Motorelektronik mittels eines
Strombegrenzers an die Versorgungsleitung angeschlossen ist, und
der Strombegrenzer während
einer Ladephase als hochohmige Stromquelle zum Aufladen eines Energiespeichers
der Motorelektronik wirkt und während
einer Kommunikationsphase niederohmig ist, so dass die Motorelektronik
während
der Ladephase an die Umrichter-Leistungseinheit und während der
Kommunikationsphase an die Umrichter-Signaleinheit angeschlossen
ist.
-
Der
erfindungsgemäße Antrieb
erlaubt aufgrund der Trennung in eine Ladephase und eine Kommunikationsphase
einen deutlich leistungsfähigeren
Anschluss der Motorelektronik an den Umrichter. Der als Koppelglied
zum Einsatz kommende Strombegrenzer lässt sich ohne weiteres für beide Phasen
optimiert auslegen. Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäß erzielbare
niederohmige Datenübertragung
während
der Kommunikationsphase. In der Umrichter-Signaleinheit wird das
während
der Kommunikationsphase von der Motorelektronik ausgesendete Datensignal
mit einem höheren
Signalpegel und einem besseren Signal/Rauschabstand empfangen als
bei den bekannten Lösungen.
Dadurch steigt die Empfangssicherheit. Das niederohmige Verhalten
während
der Kommunikationsphase hat keinen negativen Einfluss auf das während der
Ladephase benötigte,
dem gerade entgegengesetzte Verhalten des Strombegrenzers. Während der
Ladephase speist die Umrichter-Leistungseinheit ein Ladesignal mit
einem hohen Spannungswert von beispielsweise etwa 500 V bis 600
V in die Versorgungsleitung ein. Dadurch wirkt der Strombegrenzer
wie eine hochohmige Stromquelle mit einem Widerstandswert von beispielsweise
etwa 50 kΩ (=
500V/10mA) und lädt
den Energiespeicher der Motorelektronik auf. Dabei ist der Ladestrom
aufgrund des Strombegrenzungseffekts weitgehend unabhängig vom
Spannungswert des von der Umrichter-Leistungseinheit eingespeisten Ladesignals.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Antriebs ergeben sich aus
den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen Ansprüche.
-
Günstig ist
eine Variante, bei der der Strombegrenzer zum selbsttätigen, d.h.
automatischen Wechsel zwischen dem niederohmigen und dem hochohmigen
Zustand ausgelegt ist. Dann resultiert ein besonders einfacher Aufbau
des Strombegrenzers mit sehr wenigen Einzelkomponenten. Grundsätzlich kann
der Wechsel zwischen den Zuständen aber
auch von einer überlagerten
Steuer- und Überwachungsschaltung
veranlasst werden.
-
Weiterhin
kann der Strombegrenzer vorzugsweise zur selbsttätigen Stromreduzierung ausgelegt
sein, wenn es wegen eines hohen Spannungswerts eines von der Umrichter-Leistungseinheit
in die Versorgungsleitung eingespeisten Signals zu einer insbesondere
verlustbedingten Erwärmung
des Strombegrenzers kommt. Der hohe Spannungswert kann während der
Ladephase, aber auch später
während
des normalen Motorbetriebs auftreten. Die Stromreduzierung führt stets
zu einem Selbstschutz des Strombegrenzers vor einer Beschädigung durch Überhitzung.
-
Gemäß einer
anderen günstigen
Variante ist es vorgesehen, dass der Strombegrenzer bidirektional
ausgebildet ist. Dann kann die Motorelektronik während der Ladephase auch mittels
eines bipolaren Signals geladen werden. Darüber hinaus bietet der Strombegrenzer
dann auch später
während
des normalen Mo torbetriebs Schutz gegenüber hohen positiven und negativen
Werten der Systemspannung.
-
Bevorzugt
ist es außerdem,
dass der Strombegrenzer als ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET)
ausgebildet ist. Bei einem derartigen Halbleiter-Bauelement lässt sich
die strombegrenzende Funktion sehr gut und auch gezielt, beispielsweise mittels
entsprechender Dimensionierung seiner verschiedenen Halbleiterzonen,
einstellen.
-
Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Strombegrenzer
als antiserielle Zusammenschaltung zweier Sperrschicht-Feldeffekttransistoren
ausgebildet. Dadurch wird eine bidirektionale Strombegrenzung erreicht.
Die antiserielle Zusammenschaltung ist insbesondere auch auf einem
einzigen Halbleitersubstrat möglich.
-
Günstig ist
eine weitere Variante, bei der der Strombegrenzer mittels eines
einzigen Bauelements realisiert ist. Dann ergibt sich ein minimal
möglicher Aufwand
für die
Umsetzung des Strombegrenzers und damit den Anschluss der Motorelektronik
an die Versorgungsleitung.
-
Gemäß einer
anderen günstigen
Variante ist es vorgesehen, dass der Strombegrenzer auf Basis des
Halbleitermaterials Siliziumcarbid (SiC) realisiert ist. Dieses
Halbleitermaterial eignet sich besonders gut für einen Einsatz bei hohen Spannungen,
insbesondere bei Spannungen von mindestens 1 kV, und bei hohen Temperaturen,
insbesondere bei Temperaturen von mehr als 200°C.
-
Weiterhin
kann vorzugsweise zum Betrieb des Elektromotors eine Systemspannung
von mindestens 500 V vorgesehen sein, die aufgrund der betriebsbedingten
Spannungsspitzen eine Sperrfähigkeit
der insbesondere auch im Strombegrenzer eingesetzten Halbleiter-Bauteile
von etwa mindestens 1 kV erfordert. Damit lässt sich der Antrieb auch für leistungsstarke
Anwendungen einsetzen.
-
Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnung. Es zeigt
-
1 ein
Ausführungsbeispiel
eines Antriebs mit einer an einem Elektromotor angeordneten Motorelektronik,
die mittels eines Strombegrenzers an eine Versorgungsleitung des
Elektromotors angeschlossen ist,
-
2 den
Antrieb gemäß 1 während des
Ladens der Motorelektronik,
-
3 den
Antrieb gemäß 1 während einer
Datenkommunikation zwischen der Motorelektronik und dem Umrichter,
-
4 ein
Diagramm mit einem durch den Strombegrenzer gemäß 1 bis 3 fließenden Strom,
der über
einer am Strombegrenzer abfallenden Spannung aufgetragen ist, und
-
5 ein
Diagramm mit einem maximal durch den Strombegrenzer gemäß 1 bis 3 fließenden Strom,
der über
einer Temperatur des Strombegrenzers aufgetragen ist.
-
Einander
entsprechende Teile sind in 1 bis 5 mit
denselben Bezugszeichen versehen.
-
In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
eines Antriebs 1 mit einem Elektromotor 2 und
einem Umrichter 3 gezeigt. Der Umrichter 3 ist
mittels elektrischer Versorgungsleitungen 4 an den Elektromotor 2 angeschlossen.
Die Versorgungsleitungen 4 haben drei Einzelphasen, die
wie in der Drehstromtechnik üblich mit
den Buchstaben U, V und W bezeichnet sind. Am Elektromotor 2 ist
motornah eine Motorelektronik 5 angeordnet, die mittels
eines als Koppelglied wirkenden Strombegrenzers 6 an eine
erste (= Phase U) der Versorgungsleitungen 4 angeschlossen
ist. Ein zweiter Anschluss der Motorelektronik 5 ist wie aus 2 und 3 ersichtlich
unmittelbar an eine zweite (= Phase V) der Versorgungsleitungen 4 geführt. Die
Serienschaltung aus der Motorelektronik 5 und dem Strombegrenzer 6 ist
also zwischen zwei der drei Einzelphasen der Versorgungsleitungen 4 geschaltet.
-
Bei
einem anderen nicht gezeigten Ausführbeispiel eines Antriebs ist
zusätzlich
ein Mittelpunktleiter Mp vorgesehen. Dann kann die Motorelektronik auch
zwischen einer der drei Phasen U, V, W und dem Mittelpunktleiter
Mp angeschlossen sein.
-
Der
Umrichter 3 enthält
eine Umrichter-Leistungseinheit 7 und eine Umrichter-Signaleinheit 8, die
alternative Betriebsarten bewirken und mittels eines Umschalters 9 an
die Versorgungsleitungen 4, insbesondere an die Phase U,
angeschlossen sind. An einem nicht näher bezeichneten Eingang ist
der Umrichter 3 an ein übergeordnetes,
insbesondere dreiphasiges elektrisches Versorgungsnetz 10,
beispielsweise das öffentliche
Energieversorgungsnetz, angeschlossen.
-
Der
Umschalter 9 ist symbolisch zu verstehen. Entscheidend
ist, dass eine gezielte und insbesondere steuerbare Verbindung der
Umrichter-Leistungseinheit 7 und der Umrichter-Signaleinheit 8 mit den
Versorgungsleitungen 4 hergestellt werden kann. Das Zu-
oder Abschalten der Umrichter-Leistungseinheit 7 erfolgt
vorzugsweise durch ein Freigeben bzw. Sperren der (Steuer-)Impulse
der in der Umrichter-Leistungseinheit 7 eingesetzten Leistungshalbleiter.
Für das
das Zu- oder Abschalten der Umrichter-Signaleinheit 8 gibt
es mehrere bevorzugte Möglichkeiten.
Zunächst
kann ein Schalter vorgesehen sein, der für einen Durchlassstrom entsprechend
dem maximalen Strom der Umrichter-Signaleinheit 8 (z.B.
10 mA) ausgelegt ist. Alternativ kann ein weiterer Strombegrenzer,
vergleichbar dem motorseitig angeordneten Strombegrenzer 6,
vorgesehen sein. Außerdem
ist es denkbar, dass ein auf den Versorgungsleitungen 4 geführtes Datensignal
SD mittels einer hochohmigen und pegelbegrenzten
Differenzspannungsmessung zwischen den Phasen U und V ausgekoppelt
und so der Umrichter-Signaleinheit 8 zugeleitet wird.
-
Wie 2 zu
entnehmen ist, hat die Motorelektronik 5 an ihrem Eingang
eine Gleichrichterdiode 11, die an einen Energiespeicher
in Form eines Pufferkondensators 12 angeschlossen ist.
Außerdem enthält die Motorelektronik 5 einen
Datenspeicher 13, in dem motorspezifische Daten des Elektromotors 2 nach
Art eines elektronischen Typenschilds hinterlegt sind. Außerdem enthält die Motorelektronik 5 weitere
in 2 nicht näher
gezeigte Komponenten, wie einen Oszillator und ein Schieberegister
oder einen Mikroprozessor.
-
Der
Strombegrenzer 6 ist im Ausführungsbeispiel bidirektional,
also für
beide Polaritäten strombegrenzend
ausgebildet. Er ist ein aus dem Halbleitermaterial Siliziumcarbid
(SiC) hergestelltes Halbleiter-Bauelement und umfasst zwei antiseriell zusammengeschaltete
Sperrschicht-Feldeffekttransistoren, die auf einem einzigen SiC-Substrat
integriert sind. Der Strombegrenzer 6 ist folglich nur
mittels eines einzigen Bauteils realisiert. Er ist für einen Spannungsbereich
von bis zu über
1 kV und für
einen Temperaturbereich von bis zu über 200°C ausgelegt. Derartige Strombegrenzer
sind beispielsweise aus der WO 98/49733 A1 oder der WO 98/59377
A1 bekannt.
-
Im
Folgenden wird auch unter Bezugnahme auf die Diagramme von 4 und 5 die
Funktionsweise des Antriebs 1 näher beschrieben.
-
Vor
dem Start der eigentlichen Betriebsphase des Elektromotors 2 benötigt der
Umrichter 3 die in dem Datenspeicher 13 abgespeicherten
motorspezifischen Daten. Dabei kann es sich um für den Elektromotor 2 charakteristische
Daten oder um Informationen zum Motortyp, zur Motorleistungsklasse
oder auch zur Betriebsweise des Elektromotors 2 handeln. Erst
mit diesen Informationen ist der Umrichter 3 in der Lage,
dem Elektromotor 2 über
die Versorgungsleitungen 4 in optimaler Weise mit elektrischer
Energie zu versorgen. Vorteilhafterweise müssen diese Informationen nicht
von Hand am Umrichter 3 eingegeben werden, sondern der
Umrichter 3 erhält
diese Daten automatisch während
einer dem eigentlichen Motorbetrieb vorgeschalteten Anlauf-Phase.
-
Die
Anlauf-Phase zerfällt
ihrerseits in zumindest eine Ladephase und zumindest eine Kommunikationsphase,
wobei üblicherweise
mehrere Zyklen mit abwechselnder Lade- und Kommunikationsphase vorgesehen
sind.
-
Während der
in 2 gezeigten Ladephase schaltet die Umrichter-Leistungseinheit 7 ein
im Ausführungsbeispiel
burstförmiges
Ladesignal SL mit einem hohen Spannungswert
von etwa 500 V bis 600 V auf die auch an den Strombegrenzer 6 angeschlossene
Phase U der Versorgungsleitungen 4. Der hohe Spannungswert
treibt den Strombegrenzer 6 in seine sättigungsbedingte Begrenzung.
-
Sein
Arbeitspunkt liegt dann im flachen (Sättigungs-)Bereich der in 4 gezeigten
Kurvenverläufe,
bei denen ein durch den Strombegrenzer 6 fließender Strom
ILimiter über einer am Strombegrenzer 6 abfallenden
Spannung ULimiter mit einer Temperatur T des
Strombegrenzers 6 als Scharparameter aufgetragen ist. In 4 gilt
die Kurve mit der durchgezogenen Linie für eine Temperatur T von 25°C, die mit gestrichelter
Linie für
eine Temperatur T von 125°C und
die mit punktierter Linie für
eine Temperatur T von 175°C.
-
Im
Sättigungszustand
wirkt der Strombegrenzer 6 als hochohmige Stromquelle 14,
die der Motorelektronik 5 im Ausführungsbeispiel einen alternierenden
Ladestrom IL mit einer Amplitude von beispielsweise ±10 mA
zuführt.
Der Strombegrenzer 6 verhält sich wie ein schneller Kaltleiter.
Er wandelt das burstförmige
Ladesignal SL des Umrichters 3 in den
Ladestrom IL mit bipolaren Stromimpulsen
um. Deren Amplitude ist weitgehend unabhängig vom Spannungswert des
Ladesignals SL. Sie wird stattdessen in
erster Linie durch die Begrenzungscharakteristik des Strombegrenzers 6 bestimmt.
Zumindest anfangs, d.h. bei noch nicht erwärmtem Strombegrenzer 6,
wird ein Ladestrom IL mit konstantem Amplitudenwert
hervorgerufen, der nach Gleichrichtung an der Gleichrichterdiode 11 den
Pufferkondensator 12 auflädt.
-
Da
das Ladesignal SL nur in den Phasen U und
V der Versorgungsleitungen 4 geführt wird, wird der Motorelektronik 5 Energie
zugeführt,
ohne im Elektromotor 2 während dieser Anlauf-Phase bereits ein
Drehfeld und damit ein Drehmoment zu bewirken.
-
Aufgrund
der hohen Spannung tritt am Strombegrenzer 6 eine hohe
Verlustleistung auf, die zu einer Erwärmung und in Folge zu einer
automatischen Reduzierung des durch den Strombegrenzer 6 fließenden Stroms
ILimiter und damit auch des Ladestroms IL führt.
Dieses Verhalten geht aus dem Diagramm gemäß 4 und auch
aus dem gemäß 5 hervor.
In 5 ist der Verlauf eines Sättigungsstroms ILimiter
max über
einer Temperatur T des Strombegrenzers 6 aufgetragen. Der
Sättigungsstrom
ILimiter max ist der maximal durch den Strombegrenzer 6 fließende Strom
und damit eine obere Grenze des Stromflusses. Bei Temperaturen von über 150°C kommt es
zu einem starken Stromabfall. Der Strombegrenzer 6 verfügt demnach über einen inhärenten Überhitzungsschutz.
-
Trotz
dieser Stromreduzierung wird dem Pufferkondensator 12 genügend Energie
zugeführt,
so dass er während
der in 3 gezeigten Kommunikationsphase ein insbesondere
hochfrequentes Datensignal SD in Richtung
des Umrichters 3 aussenden kann. Zuvor wird im Umrichter 3 von
der Umrichter-Leistungseinheit 7 auf die Umrichter-Signaleinheit 8 umgeschaltet,
wodurch zum einen die Einspeisung des Ladesignals SL beendet
und zum anderen der Eingang des Umrichters 3 hochohmig
beschaltet wird. Optional kann der Beginn der Kommunikationsphase
auch verzögert
werden, damit der Strombegrenzer 6 abkühlt und danach bei einem höheren Sättigungsstrom
ILimiter max arbeitet.
-
Das
Datensignal SD wird in der Motorelektronik 5 mittels
Modulation einer Datensequenz erzeugt, wobei die Datensequenz die
im Datenspeicher 13 hinterlegten motorspezifischen Nutzdaten
und außerdem
Prüfsummen
enthält.
Alternativ kann das Datensignal SD auch
direkt als Bitmuster übertragen werden.
Das Datensignal SD wird auf einem Logikpegel
gesendet, so dass am Strombegrenzer 6 während der Kommunikationsphase
nur ein niedriger Spannungswert ansteht. Damit liegt sein Arbeitspunkt
im linearen Bereich der in 4 gezeigten
Kurvenverläufe.
Der Strombegrenzer 6 wirkt dann als niederohmiger Widerstand 15,
der im Ausführungsbeispiel
einen Widerstandswert von höchstens
100 Ω aufweist.
Aufgrund dieses niederohmigen Verhaltens gelangt das Datensignal
SD praktisch ungedämpft zum Umrichter 3,
so dass dort eine hohe Empfangssicherheit gegeben ist.
-
In
der Umrichter-Signaleinheit 8, die auch einen nicht näher dargestellten
Empfänger
sowie ein Filter enthält,
erfolgt gegebenenfalls eine Demodulation des Datensignals SD, um die motorspezifischen Nutzdaten aus
der Datensequenz zurückzugewinnen.
Gelingt dies fehlerfrei ist die Anlauf-Phase abgeschlossen. Dem
Umrichter 3 stehen die zur Ansteuerung des Elektromotors 2 benötigten motorspezifischen
Informationen zur Verfügung.
Die normale Betriebsphase kann beginnen. Bei den dann an den Versorgungsleitungen 4 anstehenden
Spannungswerten entsprechend der Systemspannung von über 500
V verhält
sich der Strombegrenzer 6 wieder wie eine Stromquelle 14,
de ren Strom ILimiter aufgrund des bereits
beschriebenen Überhitzungsschutzes
auf einen sehr niedrigen Wert begrenzt ist.
-
Der
Antrieb 1 weist aufgrund des Einsatzes des besonders günstigen
Strombegrenzers 6 auf SiC-Basis zahlreiche Vorteile und
herausragende Eigenschaften auf. So reagiert der Strombegrenzer 6 selbsttätig und
mit hoher Geschwindigkeit auf eine Beaufschlagung mit einer hohen
Spannung. Es ist keine Ansteuerschaltung oder Zusatzbeschaltung
erforderlich. Ebenfalls selbsttätig
erfolgt so auch eine Entkopplung der Lade- und der Datenübertragungsfunktion. Allein
aufgrund der Bauelemente-Eigenschaften liegen die für beide
Betriebszustände
erforderlichen optimalen Impedanzverhältnisse vor. Die SiC-Materialeigenschaften
ermöglichen
eine Auslegung des Strombegrenzers 6 für Spannungen von größer als
1 kV. Anstelle des im Ausführungsbeispiel eingesetzten
bidirektionalen Strombegrenzers 6 kann ohne weiteres auch
ein Strombegrenzer mit nur unidirektionaler Funktionalität realisiert
werden. Beide Ausführungsformen
lassen sich vorteilhafterweise in einem einzigen Bauelement implementieren.
Für eine
sichere Funktion sind allein die physikalischen Eigenschaften des
Strombegrenzers 6 bzw. des zu seiner Herstellung verwendeten
Halbleitermaterials SiC maßgeblich.
So lässt
sich sein Verhalten z.B. bei einer Überlastung oder dergleichen
prognostizieren. Im Gegensatz hierzu muss bei einer schaltungstechnischen
Realisierung das Ausfallverhalten und die Zuverlässigkeit aller eingesetzten
aktiven und passiven Bauelemente betrachtet werden.