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WO2010089186A2 - Steuerschaltung für einen drehstromasynchronmotor - Google Patents

Steuerschaltung für einen drehstromasynchronmotor Download PDF

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WO2010089186A2
WO2010089186A2 PCT/EP2010/050577 EP2010050577W WO2010089186A2 WO 2010089186 A2 WO2010089186 A2 WO 2010089186A2 EP 2010050577 W EP2010050577 W EP 2010050577W WO 2010089186 A2 WO2010089186 A2 WO 2010089186A2
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WO
WIPO (PCT)
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phase
freewheeling
control circuit
transistor
transistors
Prior art date
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Ceased
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PCT/EP2010/050577
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Robert Frankenberg
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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Publication of WO2010089186A3 publication Critical patent/WO2010089186A3/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/34—Snubber circuits
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    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the invention relates to a control circuit for a three-phase asynchronous motor.
  • Three-phase asynchronous motors can be operated directly on a three-phase system via a frequency converter, via a variable transformer or via a phase control.
  • the speed can be controlled with a frequency converter
  • high losses occur in the frequency converter. Due to the large number of components required in the frequency converter, its costs and the risk of failure are high.
  • the frequency converter has a high harmonic content on the three-phase system due to system feedback.
  • Variable transformers are heavy components with which the speed can only be controlled to a limited extent.
  • the operation of the variable transformer is hardly automatable.
  • harmonics also occur as network feedback.
  • the engine develops unwanted noise during operation.
  • the starting current can only be reduced inadequately and the speed can only be controlled to a limited extent.
  • German Patent No. 1 809 438 discloses a protective circuit for limiting overvoltages for semiconductor circuits, the voltage limiting being effected by means of three zener diodes, which are each combined at the input and output of a three-phase controller to form a star connection.
  • a control circuit according to the invention for a Drehstroma- synchronous motor is constructed so that each of three network phases is connected via a phase transistor with at least one of three stator windings of the three-phase asynchronous motor.
  • the three-phase asynchronous motor has three stator windings (also called motor windings or main inductances), each of which is connected to an anode of each freewheeling diode.
  • the cathodes of the freewheeling diodes are connected to a freewheeling collection potential.
  • Each of the network phases is additionally connected to the freewheeling collection potential via a freewheeling transistor.
  • Such a construction of a control circuit enables the phase transistors to connect the terminals led out of the three-phase asynchronous motor to the three mains phases and the phase transistors can be controlled accordingly.
  • MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
  • phase transistor If the phase transistor is turned off while flowing through a current in the direction of the mains phase, a high voltage, which is caused by the inductances of the three-phase asynchronous motor, would occur at the motor-side connection of the phase transistor. In the case of the MOSFET, this is its drain. However, this induction voltage is limited by the motor current at the moment of switching off the phase transistor is applied to the reconnection or until the decay of energy in the respective inductance by another part of the circuit. This function is taken over by the freewheeling transistors, the freewheeling diodes and the freewheeling collection potential.
  • the control circuit has a comparatively small number of components and can therefore be realized inexpensively. It is further characterized by a low starting current, a low mains feedback by harmonics, a good controllability of the current flow and the reactive power, a relatively low power loss (compared to a frequency converter), a controllability of the rotational speed of the three-phase asynchronous motor and low noise development, especially when the control circuit is operated with frequencies outside the listening area.
  • the functionality of the control circuit is similar to that of a variable transformer, but is much lighter than this and requires considerably less space. In addition, the control circuit is easier to automate.
  • the freewheeling transistor is preferably switched on precisely when its respectively associated mains phase has a higher potential than each of the grid phases of the two other freewheeling transistors. This means that, except for a short overlap, only one free-wheeling transistor is switched on at any one time.
  • the freewheeling transistors alternate at mains frequency (for example 50 Hz) in turn into their ON state. This process creates the so-called freewheel collection potential to which all freewheeling transistors are connected in the case of using MOSFETs with their respective drain.
  • This freewheeling collection potential is maintained even under current load. It corresponds to the highest potential, that is the highest phase voltage of the three mains phases.
  • the freewheeling collection potential now adopts the motor current of the phase transistors during their turn-off process, in that the motor current is introduced into the freewheeling collection potential via the additional free-wheeling diodes.
  • control circuit Further components can be provided in the control circuit, in particular drive drivers for the transistors and components for ensuring the electromagnetic compatibility (EMC), for example, in each case a capacitor connected between every two mains phases.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • the phase transistor is preferably formed as a field effect transistor (MOSFET).
  • MOSFET field effect transistor
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • the drain of the field effect transistor is connected to the stator winding.
  • the freewheeling transistor may be formed as a field effect transistor. Alternatively, the use of an IGBT is possible.
  • the drain of the freewheeling transistor is preferably connected to the freewheeling collection potential.
  • the stator windings of the three-phase asynchronous motor can be connected, for example, in delta connection or in star connection.
  • the phase transistor is designed as a MOSFET, in particular a so-called superjunction MOSFET, for example as a CoolMOS TM from Infineon.
  • superjunction MOSFETs have lower switching and throughput losses in power ranges of about 10 kW than an IGBT. The known, high reverse recovery of the body diodes of this superjunction MOSFET does not affect the function of the control circuit.
  • an instantaneous voltage sensor and / or an instantaneous current sensor is provided for each of the mains phases in order to switch the freewheeling transistors on and off accordingly.
  • phase transistors and the freewheeling transistors can be done for example by means of a microcontroller.
  • the control preferably takes place in such a way that the phase transistors are switched on and off in such a way that at least approximately a sinusoidal three-phase current is produced by the three-phase asynchronous motor.
  • phase transistors can be driven, for example, pulse-width modulated, in particular with a clock frequency in the range of 20 kHz to 100 kHz. This allows the
  • the average motor voltage remains as a result of a three-phase system with mains frequency, for example, 50 Hz or 60 Hz, but with a variable voltage amplitude. This results in a
  • FIG. 1 shows a circuit with a three-phase asynchronous motor and three phase transistors
  • FIG. 2 shows the circuit from FIG. 1, expanded with additional freewheeling transistors and freewheeling diodes
  • FIG. 4 shows the circuit from FIG. 2 with two switched-off phase transistors at the moment of the highest phase potential on the network phase L1.
  • FIG. 1 shows part of a control circuit 1 with a three-phase asynchronous motor 2, of which three stator windings 3.1, 3.2, 3.3 are shown.
  • the stator windings 3.1 to 3.3 are connected in delta connection.
  • Each of the resulting connections of the three-phase asynchronous motor 2 is assigned a phase transistor MPl, MP2, MP3 for connection to a respective network phase Ll, L2, L3.
  • the phase transistors MPl, MP2, MP3 are formed as a MOSFET or each comprise a MOSFET. In case of a current flow
  • control circuit 1 according to FIG. 1 is expanded, as shown in FIG.
  • the stator windings 3.1, 3.2, 3.3 are each connected to an anode of an additional freewheeling diode Dl, D2, D3.
  • the cathodes of the free-wheeling diodes D 1, D 2, D 3 are connected to one another and form a freewheeling collecting potential 4.
  • Each of the mains phases L 1, L 2, L 3 is additionally connected to the freewheeling collecting potential 4 via a freewheeling transistor MF 1, MF 2, MF 3.
  • phase transistors MP1, MP2, MP3 When the phase transistors MP1, MP2, MP3 are switched on, a current flow Ii results, as shown in FIG.
  • the illustration of the current flow Ii serves only to illustrate at which points of the control circuit 1 in the described
  • the generation of the freewheeling collection potential 4 is shown with switched-off phase transistors MP2, MP3 (freewheeling).
  • the freewheeling transistor MF1 is switched on exactly when its associated network phase Ll has a higher potential than each of the other two network phases L2, L3.
  • the freewheeling transistors MF1, MF2, MF3 change at line frequency (for example 50 Hz) in order to their on state.
  • This process provides the free-wheeling collection potential 4, to which all free-wheeling transistors MF1, MF2, MF3 are connected, in the present case the use of MOSFETS with their respective drain.
  • This freewheeling collection potential 4 is maintained even under current load. It corresponds to the highest potential, that is to say the highest phase voltage of the three network phases L1, L2, L3.
  • the freewheeling collection potential 4 now adopts the motor current of the phase transistors MP1, MP2, MP3 in their turn-off process by the motor current via the additional freewheeling D2, D3 is introduced into the freewheeling collection potential 4. This results in the current flow I2.
  • the representation shown in FIG. 4 is exemplary for the case where the network phase L 1 has the highest potential. In the event that the highest potential is applied to the network phase L2 or L3, the respective associated freewheeling transistor MF2 or MF3 is turned on.
  • the illustration of the current flow I2 serves only to illustrate where current flows in the control circuit 1 in the situation described. In particular, should not be set with the presentation of the current direction. Likewise it should not be expressed that the current in all with I2 marked portions of the control circuit 1 is the same size.
  • control circuit may be provided in particular drive drivers for the transistors MF1, MF2, MF3, MP1, MP2, MP3 and components for ensuring the electromagnetic compatibility (EMC), for example, in each case a capacitor C1, C2 connected between two mains phases in each case. C3.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • the phase transistor MP1, MP2, MP3 may be formed as an IGBT or a MOSFET, in particular a superjunction MOSFET, for example a CoolMOS TM.
  • the freewheeling transistor MF1, MF2, MF3 may be formed as an IGBT.
  • stator windings 3.1, 3.2, 3.3 of the three-phase asynchronous motor 2 may alternatively be connected in star connection.
  • an instantaneous voltage sensor and / or an instantaneous current sensor (not shown) is provided for each of the mains phases L1, L2, L3.
  • phase transistors MPl, MP2, MP3 and the freewheeling transistors MFl, MF2, MF3 can be done for example by means of a microcontroller (not shown).
  • the control is preferably carried out in such a way that the phase transistors MP1, MP2, MP3 are switched on and off in such a way that at least approximately a sinusoidal three-phase current through the three-phase asynchronous motor 2 results.
  • phase transistors MPl, MP2, MP3 can be driven, for example, pulse width modulated, in particular with a clock frequency in the range of 20 kHz to 100 kHz.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung (1) für einen Drehstromasynchronmotor (2), bei der jede von drei Netzphasen (L1, L2, L3) über einen Phasentransistor (MP1, MP2, MP3) mit mindestens einer von drei Statorwicklungen (3.1, 3.2, 3.3) des Drehstromasynchronmotors (2) verbunden ist, wobei jede der Statorwicklungen (3.1, 3.2, 3.3) mit einer Anode je einer Freilaufdiode (D1, D2, D3) verbunden ist, wobei die Kathoden der Freilaufdioden (D1, D2, D3) mit einem Freilaufsammelpotential (4) verbunden sind, wobei jede der Netzphasen (L1, L2, L3) über einen Freilauftransistor (MF1, MF2, MF3) mit dem Freilaufsammelpotential (4) verbunden ist. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Steuern eines Drehstromasynchronmotors, wobei der Freilauftransistor (MF1, MF2, MF3) eingeschaltet wird, wenn seine jeweils zugehörige Netzphase (L1, L2, L3) ein höheres Potential aufweist als jede der Netzphasen (L1, L2, L3) der beiden anderen Freilauftransistoren (MF1, MF2, MF3).

Description

Beschreibung
Steuerschaltung für einen Drehstromasynchronmotor
Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung für einen Drehstromasynchronmotor .
Drehstromasynchronmotoren können direkt an einem Drehstromnetz über einen Frequenzumrichter, über einen Stelltransfor- mator oder über eine Phasenanschnittsteuerung betrieben werden .
Beim Betrieb direkt am Drehstromnetz treten hohe Anlaufströme, hohe Blindleistungen im Leerlauf und hohe Ströme auch bei geringer Last auf. Eine Steuerung der Drehzahl ist nicht möglich. Die Leistung des Drehstromasynchronmotors ist vom Niveau der Netzspannung abhängig.
Mit einem Frequenzumrichter ist zwar die Drehzahl steuerbar, jedoch treten im Frequenzumrichter hohe Verluste auf. Durch die große Anzahl im Frequenzumrichter erforderlicher Bauteile sind dessen Kosten und Ausfallrisiko hoch. Zudem prägt der Frequenzumrichter dem Drehstromnetz per Netzrückwirkung einen hohen Oberwellenanteil auf.
Stelltransformatoren sind schwere Bauteile, mit denen die Drehzahl nur begrenzt steuerbar ist. Der Betrieb des Stelltransformators ist kaum automatisierbar.
Wird der Drehstromasynchronmotor mit Phasenanschnittsteuerung betrieben, treten ebenfalls Oberwellen als Netzrückwirkung auf. Der Motor entwickelt im Betrieb unerwünschte Geräusche. Der Anlaufstrom ist nur unzureichend reduzierbar und die Drehzahl nur eingeschränkt steuerbar.
Zur Verhinderung der hohen Anlaufströme werden teils spezielle Anlaufgerate vorübergehend in die Netzphasen geschaltet. Aus der deutschen PS 1 809 438 ist eine Schutzschaltung zur Begrenzung von Überspannungen für Halbleiterschaltungen bekannt, wobei die Spannungsbegrenzung mittels dreier Zener- Dioden erfolgt, die jeweils am Eingang und Ausgang eines Drehstromstellers zu einer Sternschaltung zusammengefasst sind.
Aus der DE 34 09 299 C2 ist eine Begrenzung mittels eines Schalttransistors bekannt, wobei die Induktionsspannungsbe- grenzungsschaltung parallel zu den Motorwicklungen geschaltet ist .
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Steuerschaltung für einen Drehstromasynchronmotor und ein Verfahren zu dessen Steuerung anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Steuerschaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche .
Eine erfindungsgemäße Steuerschaltung für einen Drehstroma- synchronmotor ist so aufgebaut, dass jede von drei Netzphasen über einen Phasentransistor mit mindestens einer von drei Statorwicklungen des Drehstromasynchronmotors verbunden ist. Der Drehstromasynchronmotor weist drei Statorwicklungen (auch Motorwicklungen oder Hauptinduktivitäten genannt) auf, von denen jede mit einer Anode je einer Freilaufdiode verbunden ist. Die Kathoden der Freilaufdioden sind mit einem Freilauf- Sammelpotential verbunden. Jede der Netzphasen ist zusätzlich über einen Freilauftransistor mit dem FreilaufSammelpotential verbunden .
Ein solcher Aufbau einer Steuerschaltung ermöglicht, dass die Phasentransistoren die aus dem Drehstromasynchronmotor herausgeführten Anschlüsse mit den drei Netzphasen verbinden und die Phasentransistoren dementsprechend angesteuert werden können. Im Falle eines Stromflusses (technische Stromrichtung) aus der Netzphase heraus, das heißt in den Drehstromasynchronmotor hinein, kann die Verbindung durch eine in den Phasentransistor integrierte Freilaufdiode übernommen werden, insbesondere, wenn der Phasentransistor als ein Metalloxid- Halbleiter-Feldeffekttransistor (im Weiteren kurz MOSFET genannt; MOSFET = metal oxid semiconductor field effect tran- sistor) ausgebildet ist. In diesem Zustand entfällt so die Steuerung des Phasentransistors. Wird der Phasentransistor ausgeschaltet, während er von einem Strom in Richtung der Netzphase durchflössen ist, würde es zu einer hohen, durch die Induktivitäten des Drehstromasynchronmotors bedingten Spannung am motorseitigen Anschluss des Phasentransistors kommen. Im Falle des MOSFETs ist dies dessen Drain. Diese Induktionsspannung wird jedoch begrenzt, indem der Motorstrom im Moment der Abschaltung des Phasentransistors bis zum Wiedereinschalten oder bis zum Abklingen der Energie in der jeweiligen Induktivität durch einen anderen Teil der Schaltung übernommen wird. Diese Funktion wird durch die Freilauftran- sistoren, die Freilaufdioden und das FreilaufSammelpotential übernommen .
Auf diese Weise können die Phasentransistoren beliebig ein- und ausgeschaltet werden, ohne dass sie durch eine Induktionsspannung zerstört werden, die über der Spannungsfestigkeit der Phasentransistoren liegt. Die Steuerschaltung weist eine vergleichsweise geringe Anzahl an Bauteilen auf und ist somit preisgünstig realisierbar. Sie zeichnet sich weiter durch ei- nen geringen Anlaufstrom, eine geringe Netzrückwirkung durch Oberwellen, eine gute Steuerbarkeit des Stromflusses und der Blindleistung, eine relativ geringe Verlustleitung (verglichen mit einem Frequenzumrichter) , eine Steuerbarkeit der Drehzahl des Drehstromasynchronmotors und geringe Geräusch- entwicklung aus, insbesondere wenn die Steuerschaltung mit Frequenzen außerhalb des Hörbereichs betrieben wird. Die Funktionalität der Steuerschaltung ähnelt der eines Stelltransformators, ist jedoch wesentlich leichter als dieser und benötigt erheblich weniger Bauraum. Zudem ist die Steuerschaltung leichter automatisierbar.
Der Freilauftransistor wird bevorzugt genau dann eingeschal- tet, wenn seine jeweils zugehörige Netzphase ein höheres Potential aufweist als jede der Netzphasen der beiden anderen Freilauftransistoren . Das bedeutet, dass bis auf eine kurze Überschneidung, zu jedem Zeitpunkt immer nur ein Freilauftransistor eingeschaltet ist. Die Freilauftransistoren wech- sein mit Netzfrequenz (beispielsweise 50 Hz) der Reihe nach in ihren Einschaltzustand. Dieser Prozess schafft das so genannte FreilaufSammelpotential, an dem alle Freilauftransistoren angeschlossen sind, im Fall der Verwendung von MOSFETs mit ihrem jeweiligen Drain. Dieses FreilaufSammelpotential bleibt auch unter Strombelastung erhalten. Es entspricht dem höchsten Potential, das heißt der höchsten Phasenspannung der drei Netzphasen. Das FreilaufSammelpotential übernimmt nun den Motorstrom der Phasentransistoren bei deren Ausschaltvorgang, indem der Motorstrom über die zusätzlichen Freilaufdio- den in das FreilaufSammelpotential eingeleitet wird.
Es können weitere Bauteile in der Steuerschaltung vorgesehen sein, insbesondere Ansteuerungstreiber für die Transistoren und Bauteile zur Sicherstellung der elektromagnetischen Ver- träglichkeit (EMV), beispielsweise jeweils ein zwischen je zwei Netzphasen geschalteter Kondensator.
Der Phasentransistor ist bevorzugt als ein Feldeffekttransistor (MOSFET) ausgebildet. Alternativ ist die Verwendung eines Bipolartransistors mit isolierter Gate-Elektrode (im Weiteren kurz IGBT genannt, IGBT = insulated gate bipolar transistor) möglich. Vorzugsweise ist dabei der Drain des Feldeffekttransistors mit der Statorwicklung verbunden.
Ebenso kann der Freilauftransistor als ein Feldeffekttransistor ausgebildet sein. Alternativ ist die Verwendung eines IGBTs möglich. Der Drain des Freilauftransistors ist dabei bevorzugt mit dem FreilaufSammelpotential verbunden. Die Statorwicklungen des Drehstromasynchronmotors können beispielsweise in Dreieckschaltung oder in Sternschaltung geschaltet sein.
Besonders bevorzugt ist der Phasentransistor als ein MOSFET, insbesondere ein so genannter Superjunction-MOSFET ausgebildet, beispielsweise als ein CoolMOS™ der Firma Infineon. Superjunction-MOSFETs haben in Leistungsbereichen von etwa 10 kW geringere Schalt- und Durchleistungsverluste als ein IGBT. Die bekannte, hohe Sperrverzögerung der Body-Dioden dieser Superjunction-MOSFET beeinträchtigt die Funktion der Steuerschaltung nicht.
Vorzugsweise ist ein Momentanspannungssensor und/oder ein Momentanstromsensor für jede der Netzphasen vorgesehen, um die Freilauftransistoren entsprechend ein- und auszuschalten.
Die Steuerung der Phasentransistoren und der Freilauftransis- toren kann beispielsweise mittels eines Microcontroller erfolgen .
Die Steuerung erfolgt vorzugsweise so, dass die Phasentransistoren so ein- und ausgeschaltet werden, dass sich zumin- dest annähernd ein sinusförmiger Drehstrom durch den Drehstromasynchronmotor ergibt.
Die Phasentransistoren können beispielsweise pulsweitenmodu- liert angesteuert werden, insbesondere mit einer Taktfrequenz im Bereich von 20 kHz bis 100 kHz. Dadurch lässt sich der
Stromfluss durch den Drehstromasynchronmotor auf ein beliebiges Maß reduzieren. Die mittlere Motorspannung bleibt dabei im Ergebnis die eines dreiphasigen Drehstromsystems mit Netzfrequenz, beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz, jedoch mit einer veränderbaren Spannungsamplitude. Dabei ergibt sich eine
Steuerbarkeit ähnlich der eines Stelltransformators. Im Unterschied zum Stelltransformator ergibt sich jedoch eine geringfügig abweichende Stromkurve, die im Wesentlichen einem Stromflusswinkel von etwa 30° entspricht. Dies wird dadurch verursacht, dass jeweils über 60° des Phasenwinkels ein Strom über die integrierten Freilaufdioden (auch Bodydioden genannt) von zwei der Phasentransistoren fließt. Dieser Effekt wird jedoch durch den vom Drehstromasynchronmotor gegebenenfalls ohnehin benötigten Blindstrom überdeckt.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 eine Schaltung mit einem Drehstromasynchronmotor und drei Phasentransistoren,
FIG 2 die Schaltung aus Figur 1, erweitert mit zusätzli- chen Freilauftransistoren und Freilaufdioden,
FIG 3 die Schaltung aus Figur 2 bei eingeschalteten Phasentransistoren, und
FIG 4 die Schaltung aus Figur 2 mit zwei ausgeschalteten Phasentransistoren im Moment des höchsten Phasenpotentials auf der Netzphase Ll.
Einander entsprechende Teile sind in allen Zeichnungen mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 ist ein Teil einer Steuerschaltung 1 mit einem Drehstromasynchronmotor 2 gezeigt, von dem drei Statorwicklungen 3.1, 3.2, 3.3 dargestellt sind. Die Statorwicklun- gen 3.1 bis 3.3 sind in Dreieckschaltung geschaltet. Jedem der sich dabei ergebenden Anschlüsse des Drehstromasynchronmotors 2 ist ein Phasentransistor MPl, MP2, MP3 zur Verbindung mit je einer Netzphase Ll, L2, L3 zugeordnet. Die Phasentransistoren MPl, MP2, MP3 sind als MOSFET ausgebildet oder umfassen je einen MOSFET. Im Falle eines Stromflusses
(technische Stromrichtung) aus der Netzphase Ll, L2, L3 heraus, das heißt in den Drehstromasynchronmotor 2 hinein, kann die Verbindung durch eine in den Phasentransistor MPl, MP2, MP3 integrierte Freilaufdiode (auch Bodydiode genannt) übernommen werden. In diesem Zustand ist es daher unerheblich, ob der Phasentransistor MPl, MP2, MP3 ein- oder ausgeschaltet ist. Wird der Phasentransistor MPl, MP2, MP3 ausgeschaltet, während er von einem Strom aus dem Drehstromasynchronmotor 2 in Richtung der Netzphase Ll, L2, L3 durchflössen ist, würde es zu einer hohen, durch die Induktivitäten des Drehstromasynchronmotors 2 bedingten Spannung am motorseitigen An- schluss (dem Drain) des Phasentransistors MPl, MP2, MP3 kom- men.
Um zu verhindern, dass dabei Spannungen auftreten, die über die Spannungsfestigkeit des Phasentransistors MPl, MP2, MP3 hinausgehen, wird die Steuerschaltung 1 gemäß Figur 1 erwei- tert, wie in Figur 2 gezeigt.
Die Statorwicklungen 3.1, 3.2, 3.3 sind hierzu mit einer Anode je einer zusätzlichen Freilaufdiode Dl, D2, D3 verbunden. Die Kathoden der Freilaufdioden Dl, D2, D3 sind untereinander verbunden und bilden ein FreilaufSammelpotential 4. Jede der Netzphasen Ll, L2, L3 ist zusätzlich über einen Freilauftran- sistor MFl, MF2, MF3 mit dem FreilaufSammelpotential 4 verbunden. Die beim Ausschalten der Phasentransistoren MPl, MP2, MP3 während eines Stromflusses aus dem Drehstromasynchronmo- tor 2 in Richtung der Netzphase entstehende Induktionsspannung wird begrenzt, indem der Motorstrom im Moment der Abschaltung des Phasentransistors MPl, MP2, MP3 bis zum Wiedereinschalten oder bis zum Abklingen der Energie in der jeweiligen Induktivität durch das FreilaufSammelpotential 4 über- nommen wird.
Bei eingeschalteten Phasentransistoren MPl, MP2, MP3 ergibt sich ein Stromfluss Ii, wie in Figur 3 gezeigt. Die Darstellung des Stromflusses Ii dient nur der Veranschaulichung, an welchen Stellen der Steuerschaltung 1 in der beschriebenen
Situation Strom fließt. Insbesondere soll mit der Darstellung nicht die Stromrichtung festgelegt werden. Ebenso soll nicht ausgedrückt werden, dass der Strom in allen mit Ii gekennzeichneten Abschnitten der Steuerschaltung 1 gleich groß ist.
In Figur 4 ist die Erzeugung des FreilaufSammelpotentials 4 bei abgeschalteten Phasentransistoren MP2, MP3 dargestellt (im Freilauf) . Hierzu wird der Freilauftransistor MFl genau dann eingeschaltet, wenn seine zugehörige Netzphase Ll ein höheres Potential aufweist als jede der beiden anderen Netzphasen L2, L3. Das bedeutet, dass bis auf eine kurze Über- schneidung, zu jedem Zeitpunkt immer nur ein Freilauftransistor MFl, MF2, MF3 eingeschaltet ist. Die Freilauftransistoren MFl, MF2, MF3 wechseln mit Netzfrequenz (beispielsweise 50 Hz) der Reihe nach in ihren Einschaltzustand. Dieser Prozess schafft das FreilaufSammelpotential 4, an dem alle Freilauf- transistoren MFl, MF2, MF3 angeschlossen sind, im vorliegenden Fall der Verwendung von MOSFETS mit ihrem jeweiligen Drain. Dieses FreilaufSammelpotential 4 bleibt auch unter Strombelastung erhalten. Es entspricht dem höchsten Potential, das heißt der höchsten Phasenspannung der drei Netzphasen Ll, L2, L3.
Das FreilaufSammelpotential 4 übernimmt nun den Motorstrom der Phasentransistoren MPl, MP2, MP3 bei deren Ausschaltvorgang, indem der Motorstrom über die zusätzlichen Freilaufdio- den D2, D3 in das FreilaufSammelpotential 4 eingeleitet wird. Es ergibt sich der Stromfluss I2.
Die in Figur 4 gezeigte Darstellung ist exemplarisch für den Fall, dass die Netzphase Ll das höchste Potential aufweist. Im Fall, dass das höchste Potential auf der Netzphase L2 oder L3 anliegt, ist der jeweils zugeordnete Freilauftransistor MF2 bzw. MF3 eingeschaltet.
Die Darstellung des Stromflusses I2 dient nur der Veranschau- lichung, an welchen Stellen der Steuerschaltung 1 in der beschriebenen Situation Strom fließt. Insbesondere soll mit der Darstellung nicht die Stromrichtung festgelegt werden. Ebenso soll nicht ausgedrückt werden, dass der Strom in allen mit I2 gekennzeichneten Abschnitten der Steuerschaltung 1 gleich groß ist.
Es können weitere Bauteile in der Steuerschaltung vorgesehen sein, insbesondere Ansteuerungstreiber für die Transistoren MFl, MF2, MF3, MPl, MP2, MP3 und Bauteile zur Sicherstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) , beispielsweise jeweils ein zwischen je zwei Netzphasen geschalteter Kondensator Cl, C2, C3.
Der Phasentransistor MPl, MP2, MP3 kann als ein IGBT oder ein MOSFET, insbesondere ein Superjunction-MOSFET, beispielsweise ein CoolMOS™ ausgebildet sein.
Der Freilauftransistor MFl, MF2, MF3 kann als ein IGBT ausgebildet sein.
Die Statorwicklungen 3.1, 3.2, 3.3 des Drehstromasynchronmotors 2 können alternativ in Sternschaltung geschaltet sein.
Vorzugsweise ist ein Momentanspannungssensor und/oder ein Momentanstromsensor (nicht gezeigt) für jede der Netzphasen Ll, L2, L3 vorgesehen.
Die Steuerung der Phasentransistoren MPl, MP2, MP3 und der Freilauftransistoren MFl, MF2, MF3 kann beispielsweise mittels eines Microcontrollers (nicht gezeigt) erfolgen.
Die Steuerung erfolgt vorzugsweise so, dass die Phasentran- sistoren MPl, MP2, MP3 so ein- und ausgeschaltet werden, dass sich zumindest annähernd ein sinusförmiger Drehstrom durch den Drehstromasynchronmotor 2 ergibt.
Die Phasentransistoren MPl, MP2, MP3 können beispielsweise pulsweitenmoduliert angesteuert werden, insbesondere mit einer Taktfrequenz im Bereich von 20 kHz bis 100 kHz.

Claims

Patentansprüche
1. Steuerschaltung (1) für einen Drehstromasynchronmotor (2), bei der jede von drei Netzphasen (Ll, L2, L3) über einen Phasentransistor (MPl, MP2, MP3) mit mindestens einer von drei Statorwicklungen (3.1, 3.2, 3.3) des Drehstromasynchronmotors (2) verbunden ist, wobei jede der Statorwicklungen (3.1, 3.2, 3.3) mit einer Anode je einer Freilaufdiode (Dl, D2, D3) verbunden ist, wobei die Kathoden der Frei- laufdioden (Dl, D2, D3) mit einem FreilaufSammelpotential (4) verbunden sind, wobei jede der Netzphasen (Ll, L2, L3) über einen Freilauftransistor (MFl, MF2, MF3) mit dem Freilaufsam- melpotential (4) verbunden ist.
2. Steuerschaltung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Kondensator (Cl, C2, C3) zwischen je zwei Netzphasen (Ll, L2, L3) geschaltet ist.
3. Steuerschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasentransistor (MPl, MP2,
MP3) als ein Feldeffekttransistor ausgebildet ist oder als ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (= IGBT) ausgebildet ist, dessen Drain oder Collector mit der Statorwicklung (3.1, 3.2, 3.3) verbunden ist.
4. Steuerschaltung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilauftransistor (MFl, MF2, MF3) als ein Feldeffekttransistor ausgebildet ist oder als ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (= IGBT) ausgebildet ist, dessen Drain oder Collector mit dem FreilaufSammelpotential (4) verbunden ist.
5. Steuerschaltung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklungen (3.1, 3.2, 3.3) in Dreieckschaltung geschaltet sind.
6. Steuerschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklungen (3.1, 3.2, 3.3) in Sternschaltung geschaltet sind.
7. Steuerschaltung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasentransistor (MPl, MP2,
MP3) als ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (= MOSFET) ausgebildet ist.
8. Steuerschaltung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Momentanspannungssensor und/oder ein Momentanstromsensor für jede der Netzphasen (Ll, L2, L3) vorgesehen ist.
9. Steuerschaltung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Microcontroller zur Steuerung der Phasentransistoren (MPl, MP2, MP3) und der Freilauftransistoren (MFl, MF2, MF3) vorgesehen ist.
10. Verfahren zum Steuern eines Drehstromasynchronmotors (2) mit einer Steuerschaltung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis
10, wobei die Netzphasen (Ll, L2, L3) mit einer Spannung beaufschlagt werden, wobei die Phasentransistoren (MPl, MP2, MP3) zur Stromversorgung des Drehstromasynchronmotors (2) ein- und/oder ausgeschaltet werden, wobei der Freilauftran- sistor (MFl, MF2, MF3) eingeschaltet wird, wenn seine jeweils zugehörige Netzphase (Ll, L2, L3) ein höheres Potential aufweist als jede der Netzphasen (Ll, L2, L3) der beiden anderen Freilauftransistoren (MFl, MF2, MF3) .
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasentransistoren (MPl, MP2, MP3) pulsweitenmoduliert angesteuert werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasentransistoren (MPl, MP2, MP3) so ein- und ausgeschaltet werden, dass sich zumindest annä- hernd ein sinusförmiger Drehstrom durch den Drehstromasynchronmotor (2) ergibt.
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