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1. (WO2019034287) DRIVE HAVING A SYNCHRONOUS MOTOR AND A CONVERTER
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Antrieb, aufweisend einen Synchronmotor und einen Umrichter

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Antrieb, aufweisend einen Synchronmotor und einen Umrichter.

Es ist allgemein bekannt, dass ein Synchronmotor von einem Umrichter speisbar ist, welcher dem Synchronmotor ein Drehspannungssystem zur Verfügung stellt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Synchronmotor einfach betreibbar zu machen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Synchronmotor nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Antrieb sind, dass der Antrieb einen Synchronmotor und einen Umrichter aufweist,

wobei aus dem wechselspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters die Motorphasen des Synchronmotors, insbesondere also die drei Versorgungsanschlüsse der Drehfeldwicklung des Stators des Synchronmotors, versorgbar sind,

wobei insbesondere bei generatorisch betriebenem Synchronmotor, mittels eines steuerbaren Schalters die dreiphasige Motorspannung, insbesondere die drei Motorphasen, des

Synchronmotors über jeweilige erste Widerstände einem Sternpunkt zuführbar ist,

insbesondere kurzschließbar ist,

und/oder wobei

insbesondere bei generatorisch betriebenem Synchronmotor mittels eines steuerbaren Schalters jede Motorphase mit einem jeweiligen ersten Anschluss eines jeweiligen ersten Widerstands verbunden ist und die jeweiligen zweiten Anschlüsse der ersten Widerstände miteinander verbindbar ist, insbesondere als Sternpunkt.

Von Vorteil ist dabei, dass mittels des Schalters mehrere elektrische Leitungen auftrennbar oder verbindbar sind. Diese mehrpolige Ausführung des Schalters ermöglicht, dass beim Aktivieren des Schalters die Anschlüsse des Motors, also die Motorphasen, über die ersten Widerstände jeweils mit einem Sternpunkt verbunden werden. Somit wird die Motorspannung, also die an den Anschlüssen des Motors anliegende Drehspannung, nicht direkt mittels eines Sternpunkts kurzgeschlossen sondern über zwischengeordnete erste Widerstände. An jedem der ersten Widerstände liegt also eines der Motorphasenpotentiale an. Somit liegt an jedem der ersten Widerstände bezogen auf den Sternpunkt eine der Motorphasenspannungen an. Vorzugsweise sind die Widerstände derart ausgeführt, dass ihr Widerstandswert mit zunehmender Temperatur abfällt. Dabei ist eine Ausführung als NTC oder als getaktet und/oder pulsweitenmoduliert angesteuerter Halbleiterschalter vorteilhaft. Mittels der ersten Widerstände ist somit eine Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie des Synchronmotors erreichbar, die in einem weiten Drehzahlbereich im Wesentlichen konstant verläuft. Dadurch ist beim Bremsen mit abnehmender Drehzahl zunehmendes Drehmoment vermeidbar, also auch eine Ruckreduzierung. Da der Antrieb ein vom Synchronmotor antreibbares Getriebe aufweist und dieses bei sehr kleiner Drehzahl ein reibungsbedingtes großes Drehmoment erzeugt, ist der sich an den konstanten Bereich anschließende niedrigere Drehzahlbereich der Kennlinie des Synchronmotors selbst unerheblich. Das reibungsbedingt erzeugte Drehmoment des

Getriebes bestimmt also diesen niedrigeren Bereich wesentlich.

Im generatorischen Betrieb wirkt das Drehmoment des Synchronmotors als Bremsmoment.

Wichtig ist also bei dem erfindungsgemäßen Antrieb, aufweisend Umrichter und

Synchronmotor, dass beim Abbremsen die Motorphasen über Widerstände mit einem

Sternpunkt verbunden sind. Die Widerstände sind vorzugsweise als NTC-Widerstände ausgeführt. Somit weist insbesondere bei Verwendung handelsüblicher NTC die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie beim Abbremsen einen im Wesentlichen konstanten Bereich auf, so dass bei abfallender Drehzahl zunächst konstantes Bremsmoment erzeugt wird.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Umrichter einen Gleichrichter auf, dessen gleichspannungsseitiger Anschluss mit dem gleichspannungsseitigen Anschluss eines Wechselrichters verbindbar ist

und/oder aus dem gleichspannungsseitigen Anschluss des Gleichrichters der

gleichspannungsseitige Anschluss des Wechselrichters versorgbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass der Gleichrichter von einem Wechselstromversorgungsnetz speisbar ist und eine Zwischenkreisspannung dem Wechselrichter zur Verfügung stellbar macht.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist aus dem wechselspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters der Synchronmotor versorgbar, insbesondere also die Drehfeldwicklung des Stators des Synchronmotors. Von Vorteil ist dabei, dass der Wechselrichter drei parallel geschaltete Halbbrücken aufweist, wobei diese Parallelschaltung aus der am

gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters anliegenden Gleichspannung versorgbar ist, wobei jede der Halbbrücken als Reihenschaltung aus jeweils zwei steuerbaren Halbleiterschaltern zusammengesetzt ist, wobei jedem Halbleiterschalter eine Diode parallel zugeschaltet ist. Somit ist durch pulsweitenmoduliertes Ansteuern der Halbleiterschalter ein dreiphasiges Wechselspannungssystem für den Motor bereit stellbar, wobei im

generatorischen Betrieb die vom Motor erzeugte Leistung zum gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters fließt. Wenn allerdings mittels Öffnen des mehrpoligen Schalters der Leistungsfluss vom Motor zum Wechselrichter verhindert wird, wird der

Leistungsfluss über die durch zum Öffnen gleichzeitiges Schließen anderer Pole des Schalters bewirkte Verbindungen zu den ersten Widerständen transportiert und somit in Wärme verwandelt.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Schalter ein Wechselschalter,

insbesondere so dass in einer ersten Schalterstellung der Wechselrichter die Motorspannung bereit stellt, insbesondere also die drei Motorphasen mit den drei Phasen des Wechselrichters verbunden sind, und in einer zweiten Schalterstellung die Motorspannung über die

insbesondere drei erste Widerstände einem Sternpunkt als Kurzschluss zugeführt wird. Von Vorteil ist dabei, dass der Schalter mit weniger Polen auskommt, da die drei mit den

Motorphasen verbundenen Polen nur wahlweise mit drei Polen verbindbar sind, welche mit dem wechselspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters verbunden sind, oder alternativ mit den drei Polen verbindbar sind, welche jeweils mit einem der drei ersten

Widerstände verbunden sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Schalter mehrstückig ausgeführt, also aus zwei oder mehr zwei- oder mehrpoligen voneinander beabstandeten, insbesondere separat

voneinander angeordneten, Schaltern ausgeführt, insbesondere wobei die separat

angeordneten Schalter gleichzeitig angesteuert werden und/oder jeweils zwei- oder mehrpolig ausgeführt sind. Von Vorteil ist dabei, dass der Schalter aus solchen separat angeordneten Einzelschaltern zusammensetzbar ist, wobei diese Einzelschalter voneinander separat angeordnet sind aber gleichzeitig angesteuert werden. Somit findet der Schaltvorgang, also das Schließen beziehungsweise Öffnen gleichzeitig statt.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird abhängig von einem Steuersignal ein zweiter Widerstand aus der am gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters anliegenden Spannung versorgt,

insbesondere so dass das obere Potential des gleichspannungsseitigen Anschlusses des Wechselrichters mit dem ersten Anschluss des zweiten Widerstands und das untere Potential des gleichspannungsseitigen Anschlusses des Wechselrichters mit dem zweiten Anschluss des zweiten Widerstands verbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass auch im Zwischenkreis ein Widerstand vorsehbar ist, welcher generatorisch erzeugte Leistung in Wärme umwandelt. Somit ist die Kennlinie bei zunehmender Drehzahlmit größerem Drehmoment ausführbar.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist oder sind die ersten Widerstände und/oder der zweite Widerstand jeweils als Thermistor oder NTC-Widerstand ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass eine kostengünstige Ausführung ermöglicht ist. Allerdings ist die Kennlinie bei

Verwendung handelsüblicher NTC dadurch auch festgelegt.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist oder sind die ersten Widerstände und/oder der zweite Widerstand jeweils als steuerbarer Halbleiterschalter ausgeführt, insbesondere wobei dem

Halbleiterschalter pulsweitenmodulierte Ansteuersignale zugeführt werden, insbesondere über eine galvanische Kopplung. Von Vorteil ist dabei, dass der Verlauf der Kennlinie steuerbar ist durch entsprechende Ansteuerung der Halbleiterschalter.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist insbesondere abhängig vom Steuersignal einer

Ansteuerung für den Schalter der wechselspannungsseitige Anschluss des Wechselrichters abtrennbar mittels des Schalters vom Motoranschluss. Von Vorteil ist dabei, dass der mehrpolig ausgeführte Schalter nicht nur die Motorphasen über die ersten Widerstände mit dem Sternpunkt verbindbar macht sondern auch der wechselspannungsseitige Anschluss des Wechselrichters abtrennbar ist vom Motor.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist insbesondere abhängig vom Steuersignale einer Ansteuerung für den Schalter der gleichspannungsseitige Anschluss des Gleichrichters abtrennbar mittels des Schalters vom gleichspannungsseitigen Anschluss des

Wechselrichters. Von Vorteil ist dabei, dass der mehrpolig ausgeführte Schalter nicht nur die Motorphasen über die ersten Widerstände mit dem Sternpunkt verbindbar macht sondern auch der gleichspannungsseitige Anschluss des Gleichrichters abtrennbar ist vom

Zwischenkreis, also vom gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters. Dadurch ist auch die Sicherheit erhöhbar. Denn durch die mehreren Auftrennungen ist die Sicherheit gegen ein unbeabsichtigtes Anlaufen des Motors verbessert.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist mittels des Schalters auch der

wechselspannungsseitige Anschluss des Wechselrichters abtrennbar von den Motorphasen. Von Vorteil ist dabei, dass ein unbeabsichtigtes Anlaufen des Motors verhindert ist. Denn selbst wenn der Wechselrichter fehlerhafterweise an seinem wechselspannungsseitigen Anschluss ein Drehspannungssystem bereit stellt, das in der Lage wäre den Motor motorisch zu betreiben, ist dies verhindert durch das Abtrennen, also auftrennen der entsprechenden elektrischen Leitungen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Schalter mehrpolig ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass der Schalter kompakt ausführbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Schalter als Schütz, insbesondere

Mehrfachschütz, ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass der Schalter kostengünstig ist.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen

Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.

Die Erfindung wird nun anhand von schematischen Abbildungen näher erläutert:

In der Figur 1 sind drehzahlabhängige Drehmoment-Kennlinien eines Antriebs mit

generatorisch betriebenem Synchronmotor gezeigt, wobei ein Abbremsen mittels Kurzschluss oder Widerstand erfolgt.

In der Figur 2 ist der Antrieb schematisch skizziert dargestellt, wobei mittels einer Ansteuerung 23 ein Schalter 22 ansteuerbar ist, mittels dessen die drei Motorphasen des Synchronmotors M kurzschließbar sind.

In der Figur 3 ist ein erfindungsgemäßer Antrieb dargestellt, bei welchem im Unterschied zur Figur 2 in jeder Motorphase ein zusätzlicher Widerstand 31 angeordnet ist. Außerdem ist auch weiterer Widerstand 30 zur Entladung des Zwischenkreises vorgesehen.

In der Figur 4 ist ein erfindungsgemäßer Antrieb dargestellt, bei welchem im Unterschied zur Figur 2 in jeder Motorphase ein zusätzlicher Widerstand 31 angeordnet ist, wobei zusätzlich ein Auftrennen des Zwischenkreises ermöglicht ist.

In der Figur 5 ist ein erfindungsgemäßer Antrieb dargestellt, bei welchem im Unterschied zur Figur 2 in jeder Motorphase ein zusätzlicher Widerstand 31 angeordnet ist.

In der Figur 6 ist ein erfindungsgemäßer Antrieb dargestellt, bei welchem ein Widerstand 30 zur Entladung des Zwischenkreises vorgesehen ist und ein Abtrennen des Gleichrichters 20 des den Synchronmotor M speisenden Umrichters ermöglicht ist.

In der Figur 7 ist ein erfindungsgemäßer Antrieb dargestellt, bei welchem ein Abtrennen des Wechselrichters 21 des den Synchronmotor M speisenden Umrichters ermöglicht ist und gleichzeitig ein Kurzschließen bei vorhandenen zusätzlichen Widerständen 31 in den

Motorphasen.

In der Figur 8 ist ein Wechselschalter aufweisender Motorschütz vorgesehen, mit welchem wahlweise der Wechselrichter 21 den Motor M speist oder alternativ ein Kurzschließen bei vorhandenen zusätzlichen Widerständen 31 in den Motorphasen ermöglicht ist.

In der Figur 9 ist eine Halbleiteranordnung 90 zur Entladung des Zwischenkreises vorgesehen, wobei der Gleichrichter 20 abtrennbar ist.

Wie in Figur 1 gezeigt, weist der Synchronmotor bei direktem Kurzschluss seiner Motorphasen eine Drehzahl-abhängige Drehmoment-Kennlinie 1 auf, die im Vergleich zu einer bei vorhandenen Widerständen im Kurzschlussstrompfad bewirkten Drehzahl-abhängige

Drehmoment-Kennlinie 2 kein Plateau aufweist.

Bei von einer Nenndrehzahl abnehmender Drehzahl weist Kennlinie 1 ein zunehmendes

Drehmoment auf, das ein Maximum bei einer sehr niedrigen Drehzahl erreicht und dann erst gegen Null abfällt.

Im Gegensatz dazu weist die Kennlinie 2 ein im Wesentlichen konstantes Drehmoment auf, also in weitem Drehzahlbereich von der Drehzahl unabhängiges Drehmoment auf.

Somit wird bei Kennlinie 2 beginnend von einer hohen Nenndrehzahl beim Abbremsen ein konstantes Drehmoment erzeugt, das kurz vor Stillstand auf Nullabfällt.

Da der Synchronmotor allerdings nicht direkt sondern über ein Getriebe eine Last antreibt, wird im niedrigen Drehzahlbereich die Reibungskraft des Getriebes wirksam und der Verlauf des vom Motor erzeugten Drehmoments ist dann unerheblich.

In der Figur 2 ist ein Antrieb schematisch skizziert, welcher einen von einem Umrichter gespeisten Synchronmotor M aufweist.

Dabei wird ein mit dem Öffentlichen Wechselstromversorgungsnetz dreiphasig verbundener Gleichrichter 20 zur Bereitstellung einer unipolaren Spannung eingesetzt. Am

gleichspannungsseitigen Anschluss des Gleichrichters 20 ist ein Kondensator vorgesehen, der somit parallel zum gleichspannungsseitigen Anschluss eines Wechselrichters 21 geschaltet ist.

Dieser Wechselrichter 21 weist drei parallel geschaltete Halbbrücken auf, welche aus der unipolaren Spannung versorgt sind und jeweils eine Reihenschaltung aus zwei steuerbaren

Halbleiterschaltern aufweisen, die vorzugsweise pulsweitenmoduliert angesteuert werden. Jedem der Halbleiterschalter ist eine Diode parallel geschaltet.

Mittels eines von einer Ansteuerung 23 ansteuerbaren Schalters 22 sind zwei der

Motorphasen mit einer dritten der drei Motorphasen verbindbar und somit ein direkter

Kurzschluss bewirkbar, welcher zur Kennlinie 1 führt.

Wie in Figur 3 gezeigt, ist im Unterschied zur Figur 2 das Kurzschließen bewirkbar, indem in jeder der Motorphasen jeweils ein Widerstand 31 angeordnet ist. Somit wird das vom

Synchronmotor im generatorischen Betrieb erzeugte Drehspannungssystem nicht nur dem wechselspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters 21 sondern auch über die zwischengeordneten Widerstände 31 einem Sternpunkt zugeführt, wenn die Ansteuerung 23 den Schalter zum Schließen ansteuert und somit der Sternpunkt wirksam ist.

Dabei bewirken die Dioden des Wechselrichters ein Gleichrichten des erzeugten

Drehspannungssystems und stellen somit dem gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters 21 Gleichspannung zur Verfügung.

Von der Ansteuerung 23 ist zwar ein Abtrennen des Gleichrichters 20 bewirkt, jedoch steigt somit bei generatorischem Betrieb die Spannung am Kondensator C, also auch am

gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters 21 an.

Daher ist ein zusätzlicher Widerstand 30 zur Entladung des Kondensators C von der

Ansteuerung zuschaltbar. Bei generatorischem Betrieb wird dieses Zuschalten ausgeführt und gleichzeitig das Abtrennen des Gleichrichters 20.

Als Widerstände 31 und auch 30 werden vorzugsweise Thermistoren und/oder NTC

Widerstände verwendet. Der Widerstandswert des jeweiligen Widerstands (30, 31 ) nimmt also mit zunehmender Temperatur ab.

Im Unterschied zur Figur 3 wird in Figur 4 nur der Gleichrichter 20 abgetrennt und die

Vernichtung der generatorisch erzeugten Leistung nur über die in den Motorphasen angeordneten Widerstände 31 und den den Kurzschluss darstellenden Sternpunkt bewirkt.

Das Kurzschließen des Sternpunktes und das Abtrennen des Gleichrichters 20 wird gleichzeitig angesteuert.

Wie in Figur 5 gezeigt, ist im Unterschied zur Figur 4 ein Abbremsen auch nur durch den bewirkten Sternpunkt und die der jeweiligen Motorphase zugeordneten Widerstände 31 ermöglicht.

Wie in Figur 6 gezeigt, ist ein Abbremsen durch zum Kondensator C zugehöriges

Parallelschalten eines Widerstands 30 ermöglicht.

Wie in Figur 7 gezeigt, ist beim Kurzschließen der Motorphasen über die zwischengeordneten Widerstände 31 ein Abtrennen des Wechselrichters 21 vorteilhaft. Somit wird der Kondensator C nicht über einen unzulässig hohen Spannungswert hin aufgeladen.

In Figur 8 ist statt der beiden dreiphasigen Schalter nach Figur 7 ein dreiphasiger

Wechselschalter vorgesehen, so dass ein geringerer Aufwand notwendig ist.

In Figur 9 ist im Unterschied zur Figur 6 der Widerstand 30 der Figur 6, welcher zur Entladung des Kondensators C vorgesehen ist, ersetzt durch einen steuerbaren Halbleiterschalter 90. Im leitenden Zustand bewirkt der Halbleiterschalter 90 einen Kurzschluss des oberen mit dem unteren Zwischenkreispotentials des Umrichters, also ein schnelles Entladen des

Kondensators C. Dabei weist der Halbleiterschalter 90 einen Restleitwert auf und erhitzt sich entsprechend. Auf diese Weise wird die elektrische Energie in Wärme umgewandelt. Um ein Überhitzen des Halbleiterschalters 90 zu vermeiden wird er nicht dauerhaft in den leitenden Zustand ersetzt sondern nur zeitabschnittsweise. Hierzu wird ihm ein getaktetes

Ansteuersignal von einer Signalelektronik zugeführt, das vorzugsweise pulsweitenmoduliert ist. Dabei wird in der Signalelektronik ein Modellwert für die Temperatur bestimmt. Je näher die Temperatur an einen Schwellwert herankommt, desto kürzer sind die Pulsweiten der den leitenden Zustand bewirkenden Pulse. Vorzugsweise wird zusätzlich zur Erhöhung der Sicherheit eine Temperatur des Halbleiterschalters 90 erfasst, so dass auch bei Störungen, wie beispielsweise verschlechterter Wärmeübergang zur Umgebung hin, entsprechend das Temperaturmodell entsprechend berichtigbar ist.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen werden die Widerstände 30 und 31 der Figuren 2 bis 8 jeweils durch eine steuerbare Halbleiteranordnung 90 ersetzt. Die Steuersignale werden dabei vorzugsweise über eine galvanische Trennung an den

Halbleiterschalter 90 herangeführt.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist in den Figuren 1 bis 9 zusätzlich dem Kondensator C jeweils eine Reihenschaltung aus einem steuerbaren Halbleiterschalter und einem Bremswiderstand direkt parallel zugeschaltet. Auf diese Weise ist ein zusätzliches Abbremsen erreichbar, wenn die generatorisch erzeugte Leistung zumindest teilweise dem wechselspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters 21 bereit gestellt wird und somit am gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters 21 Spannung bereit gestellt wird insbesondere und die am Kondensator C anliegende Spannung einen Schwellwert überschreitet.

Außerdem ist auf diese Weise die Sicherheit weiter erhöht.

Bezugszeichenliste

1 Drehzahlabhängige Drehmoment-Kennlinie für direkten Kurzschluss, also ohne Widerstand 2 Drehzahlabhängige Drehmoment-Kennlinie bei vorhandenem Widerstand

20 Gleichrichter

21 Wechselrichter

22 Schalter

23 Ansteuerung

30 zweiter Widerstand

31 erster Widerstand

90 Halbleiteranordnung