Результат интеллектуальной деятельности: Способ стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного электродвигателя

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам регулирования числа оборотов электродвигателей и может быть использовано для регулирования числа оборотов электрифицированного инструмента, бытовых и промышленных электроприборов, приборов специального назначения, содержащих электродвигатели.

Известны способ и устройство стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного электродвигателя (SU 997216 А1, МПК5 Н02Р 5/12, опубл. 15.02.1983 г.), содержащее электрический двигатель постоянного тока последовательного возбуждения, включенный в диагональ полууправляемого вентильного моста (усилителя мощности) и зашунтированный обратным диодом и разрядным резистором, общая точка которых подключена ко входу промежуточного усилителя, состоящего из операционного усилителя и транзистора. Выход промежуточного усилителя является входом интегратора, состоящего из транзистора и конденсатора, который подключен ко входу коммутирующего устройства, выполняющего функции блока управления усилителем мощности, включающий конденсатор, на котором формируется заданное напряжение, транзистор, напряжение отпирания которого является опорным напряжением.

Недостатком этого способа является то, что однофазный коллекторный электродвигатель в диапазоне рабочих нагрузок работает в режиме прерывистых токов.

Известно устройство, реализующее вышеуказанный способ, стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного электродвигателя (RU 2444838 С1, МПК Н02Р 7/285 (2006.01), Н02Р 7/29 (2006/01), Н02Р 7/292 (2006.01), опубл. 10.03.2012), выбранное в качестве прототипа, содержащее двигатель постоянного тока последовательного возбуждения, питаемый от усилителя мощности и зашунтированный обратным диодом и разрядным резистором, общая точка которых подключена к входу промежуточного усилителя. Выход промежуточного усилителя является входом интегратора, состоящего из транзистора и конденсатора, который подключен ко входу коммутирующего устройства, выполняющего функции блока управления усилителем мощности, включающего конденсатор, на котором формируется заданное напряжение, транзистор, напряжение отпирания которого является опорным напряжением. Усилитель мощности состоит из неуправляемого выпрямителя и широтно-импульсного преобразователя. В цепи обратной связи включен компаратор.

Недостатками способа являются: необходимость наличия фазового пространства для измерения длительности протекания тока под действием ЭДС самоиндукции, что принципиально ограничивает возможность повышения частоты коммутации ШИМ и, соответственно улучшить форму тока и энергетические показатели электропривода; положительная обратная связь позволяет полностью скомпенсировать действие возмущения в системе, однако, может привести к неустойчивости системы, тем более, что параметры электропривода с однофазным коллекторным двигателем последовательного возбуждения (ОКД) зависят от рабочего режима двигателя (тока и скорости).

Способ стабилизации частоты вращения двигателя позволяет улучшить энергетические показатели электропривода за счет увеличения частоты коммутации ШИМ и улучшения формы тока двигателя.

Технический результат предлагаемого решения заключается в повышении КПД электропривода при сохранении устойчивости.

Предложенный способ стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного электродвигателя, также как в прототипе, формирует управление скоростью двигателя постоянного тока последовательного возбуждения, зашунтированный обратным диодом и разрядным резистором, коммутирующее устройство при питании от неуправляемого выпрямителя и широтно-импульсного преобразователя.

Согласно предлагаемому способу неуправляемый выпрямитель соединен с широтно-импульсным преобразователем, к которому подключен однофазный коллекторный двигатель. В цепь питания двигателя включен датчик тока (например, шунт). Датчик тока подключен к входу микропроцессорного узла для формирования управления скважностью ШИМ. Сигнал с датчика тока формируют путем вычисления разности между значениями в момент соответствующий заднему фронту импульса напряжения ШИМ и в момент заданный таймером контроллера (в примере принят 0,00001 с). Полученный сигнал используют, согласно принципу управления по отклонению.

На фиг. 1 показан график изменения тока самоиндукции при изменении частоты вращения электродвигателя.

На фиг. 2 представлена функциональная схема реализации способа стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного двигателя, где 1 - неуправляемый мостовой выпрямитель, 2 - транзистор с широтно-импульсной модуляцией, 3 - однофазный коллекторный двигатель, 4 - датчик тока, 5 - контроллер, 6 - драйвер.

На фиг. 3 представлена схема устройства для стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного двигателя.

Ток, вызванный действием ЭДС самоиндукции, спадает во времени, как это показано в прототипе, в соответствии с выражением T_L=kI/ω (T_L - электромагнитная постоянная времени). Тогда за время отсчета таймера (см. фиг. 1, где оно для примера принято, как 0,00001 с) он снизится до значений I₁, I₂, I₃ - в зависимости от скорости двигателя. Очевидно (из подобия треугольников), что ΔI/I=Δt/T_L, где ΔI=I₁-I₂. если учесть, что Δt - константа (это уставка таймера), то ΔI=I/kI/ω=к'ω. Таким образом, величина тока от начала действия ЭДС самоиндукции до момента, заданного таймером, изменяется на величину, пропорциональную скорости двигателя. Время измерения определяется таймером, не зависит от режима работы двигателя и позволяет устанавливать оптимальную частоту коммутации ШИМ (так как выбирается много меньше, чем период коммутации), чем обеспечивать максимальное значение КПД электропривода.

Стабилизирующую скорость обратную связь формируют, согласно принципу регулирования по отклонению, следующим образом: по заднему фронту импульса ШИМ запускают таймер с уставкой времени Δt, одновременно считывают с датчика мгновенное значение тока. После отсчета заданного интервала времени Δt считывают значение тока I₁ (это значение, как было указано выше, зависит от скорости двигателя), затем вычисляют ΔI=I-I₁ и это значение (пропорциональное скорости двигателя) используют с соответствующим коэффициентом пропорциональности в качестве сигнала отрицательной обратной связи.

Таким образом, заявленный технический результат достигнут по той причине, что, согласно предложенному способу, в цепь питания двигателя включают датчик тока (например, шунт). Датчик тока подключают к входу микропроцессорного узла для формирования управления скважностью ШИМ. Сигнал с датчика тока формируют путем вычисления разности между значениями в момент соответствующий заднему фронту импульса напряжения ШИМ и в момент заданный таймером контроллера (в примере принят 0, 00001 с). Полученный сигнал используют, согласно принципу управления по отклонению.