УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВУХФАЗНЫМ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ В РЕЖИМЕ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ДВИЖЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике, в частности к колебательным электроприводам переменного тока, и может быть использовано при создании приводов сканирования, калибровки, измерения, контроля и управления.

Известно устройство для управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме пульсирующего движения [RU 2462810 C1, МПК H02P 8/20 (2006.01), H02P 25/02 (2006.01), H02P 27/04 (2006.01), H02P 27/10 (2006.01), опубл. 27.09.2012], содержащее источник переменного тока, задающий генератор, амплитудный модулятор, фазовое звено, модулятор и инвертор, выход которого соединен с обмоткой управления двухфазного асинхронного двигателя, обмотка возбуждения которого подключена к источнику переменного тока. Модулятор соединен первым входом с выходом амплитудного модулятора. Выход задающего генератора соединен со вторым входом амплитудного модулятора, первый вход которого соединен с выходом фазового звена, подключенного своим входом к источнику переменного тока. Выход модулятора соединен с входом инвертора, вход второго фазового звена подключен к выходу задающего генератора, а выход соединен с входом выпрямителя, выход которого подключен ко второму входу модулятора.

Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.

Однако несмотря на то что в данном устройстве формируется пульсирующий режим работы исполнительного двигателя с регулируемыми параметрами движения, оно не позволяет формировать гармонический пульсирующий закон движения. Кроме того, выпрямитель и модулятор вносят высокочастотные пульсации во время переходного процесса в кривые электромагнитного момента и скорости, что вызывает дополнительные динамические потери в электромеханической системе и как следствие снижение ее энергетических показателей (фиг. 1).

Задачей изобретения является расширение эксплуатационных возможностей устройства для управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме пульсирующего движения за счет формирования пульсаций, изменяющихся по гармоническому закону во всем диапазоне регулирования частоты, и улучшение его динамических свойств во время переходных процессов.

Поставленная задача решена за счет того, что устройство для управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме пульсирующего движения, так же как в прототипе, содержит источник переменного тока, задающий генератор, амплитудный модулятор, фазовое звено и инвертор. Выход инвертора соединен с обмоткой управления двухфазного асинхронного двигателя, обмотка возбуждения которого подключена к источнику переменного тока. Выход задающего генератора соединен с первым входом амплитудного модулятора, второй вход которого соединен с выходом фазового звена, подключенного своим входом к источнику переменного тока.

Согласно изобретению в устройство введены фазовый детектор и электронный ключ. Первый вход электронного ключа соединен с выходом амплитудного модулятора, а второй вход электронного ключа соединен с выходом фазового детектора. Первый вход фазового детектора подключен к выходу фазового звена, а второй вход фазового детектора подключен к выходу задающего генератора. Выход электронного ключа соединен с входом инвертора напряжения.

Использование фазового детектора и электронного ключа позволяет создать режим прерывистого движения по гармоническому закону, что, обеспечивая отсутствие при запуске двухфазного асинхронного двигателя пульсаций двойной частоты питающей сети в кривых электромагнитного момента и скорости, позволяет расширить эксплуатационные возможности известного устройства.

На фиг. 1 представлены временные диаграммы изменения координаты подвижного элемента асинхронного двигателя χ(t), электромагнитного момента М_эм(t) и скорости ξ(t) при запуске на частоту Ω известного устройства.

На фиг. 2 представлена блок-схема заявляемого устройства.

На фиг. 3 представлены временные диаграммы изменения координаты подвижного элемента асинхронного двигателя χ(t), электромагнитного момента М_эм(t) и скорости ξ(t) при запуске на частоту Ω заявляемого устройства.

Устройство для управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме пульсирующего движения (фиг. 2) состоит из асинхронного двигателя 1 с обмоткой возбуждения 2 и управления 3, фазового звена 4 (ФЗ), задающего генератора 5 (ЗГ), амплитудного модулятора 6 (AM), фазового детектора 7 (ФД), электронного ключа 8 (ЭК), инвертора напряжения 9 (ИН) и источника переменного тока 10 (ИПТ).

Обмотка управления 3 асинхронного двигателя 1 снабжена клеммами и подключена к выходу инвертора напряжения 9 (ИН), а обмотка возбуждения 2 - к выходу источника переменного тока 10 (ИПТ). Вход инвертора напряжения 9 (ИН) соединен с выходом электронного ключа 8 (ЭК). Первый вход электронного ключа 8 (ЭК) подключен к выходу амплитудного модулятора 6 (AM), первый вход которого подключен к выходу фазосдвигающего звена 4 (ФЗ). Второй вход амплитудного модулятора 6 (AM) подключен к выходу задающего генератора 5 (ЗГ). Второй вход электронного ключа 8 (ЭК) связан с выходом фазового детектора 7 (ФД), первый вход которого подключен к выходу фазового звена 4 (ФЗ), а второй вход - к выходу задающего генератора 5 (ЗГ). Вход фазового звена 4 (ФЗ) соединен с выходом источника переменного тока 10 (ИПТ).

При технической реализации макетного образца заявляемого устройства амплитудный модулятор 6 (AM) был выполнен на аналоговом перемножителе 572 ПС2. Задающий генератор 5 (ЗГ) реализован на операционных усилителях серии 140 УД8. Фазовое звено 4 (ФЗ) выполнено на понижающем трансформаторе и LC-цепочке. Фазовый детектор 7 (ФД) был выполнен на дифференциальном усилителе с токопитающим каскадом на базе микросхемы К1УТ981. Электронный ключ 8 (ЭК) выполнен по схеме компаратора на операционных усилителях К140УД6 с тиристорным ключом КУ103А. В качестве инвертора напряжения 9 (ИН) использовали мостовой инвертор с транзисторными ключами.

Устройство работает следующим образом. Обмотка возбуждения 2 двухфазного асинхронного двигателя 1 подключена к источнику переменного тока 10 (ИПТ)

где U_m - амплитуда напряжения источника переменного тока;

ω - круговая частота напряжения источника переменного тока;

α - начальная фаза напряжения источника переменного тока;

t - текущее значение времени,

а обмотка управления 3 подключена к выходу инвертора напряжения 9 (ИН).

Напряжение с выхода источника переменного тока 10 (ИПТ) поступает на вход фазосдвигающего звена 4 (ФЗ), где оно сдвигается по фазе относительно входного напряжения на 90 градусов

где k₄ - коэффициент передачи фазосдвигающего звена 4 (ФЗ),

и подается на первые входы амплитудного модулятора 6 (AM) и фазового детектора 7 (ФД). На вторые входы амплитудного модулятора 6 (AM) и фазового детектора 7 (ФД) подается напряжение с выхода задающего генератора 5 (ЗГ)

где U_m5 - амплитуда напряжения задающего генератора;

Ω - круговая частота напряжения задающего генератора;

β - начальная фаза напряжения задающего генератора.

На выходе амплитудного модулятора 6 (AM) формируются напряжение

где k₆ - коэффициент передачи амплитудного модулятора.

Фазовый детектор 7 (ФД) формирует на своем выходе напряжение, пропорциональное фазовому рассогласованию между напряжениями U₄ и U₅

где k₇ - коэффициент передачи фазового детектора.

Сформированное напряжение U₇ поступает на второй вход электронного ключа 8 (ЭК), который работает по принципу компаратора. Как только напряжение, снимаемое с фазового детектора 7 (ФД), станет равным нулю, что соответствует равенству начальных фаз выходного напряжения фазового звена 4 (ФЗ) и напряжения задающего генератора 5 (ЗГ), электронный ключ 8 (ЭК) замыкается и напряжение с выхода амплитудного модулятора 6 (AM) поступает через электронный ключ на управляющий вход инвертора напряжения 9 (ИН). Инвертор напряжения 9 (ИН) усиливает входной сигнал по мощности и запитывает обмотку управления 3 асинхронного двигателя 1 напряжением

где k₉ - коэффициент передачи инвертора напряжения.

В результате осуществляется пуск асинхронного двигателя 1 в режим пульсирующего движения в момент времени t, когда выполняется условие α=β.

Если: α=0; U_m9=U_m·U_m5·k₄·k₆·k₉, то на обмотки двухфазного двигателя в момент пуска подаются напряжения

благодаря чему устанавливается динамическое смещение нейтрали колебаний, равное амплитуде колебаний, что соответствует пульсирующему режиму работы по гармоническому закону (фиг. 3).

Точность задания и поддержания частоты пульсаций Ω определяется стабильностью задающего генератора 5 (ЗГ), а направление движения подвижного элемента двухфазного асинхронного двигателя 1 относительно нулевого значения - полярностью фазового сдвига фазового звена 4 (ФЗ). Регулирование амплитуды пульсаций осуществляется за счет изменения коэффициента передачи k₉ инвертора напряжения 9 (ИН).

Ввиду отсутствия в блок-схеме заявляемого устройства дополнительной модуляции напряжения управления однополярным пульсирующим напряжением частоты Ω заявляемое устройство принципиально не содержит в законе изменения электромагнитного момента и скорости гармоник с порядковым номером 2nΩ.

Так как запуск двигателя в режим пульсирующего движения осуществляется при условии α=β, то в переходный период в законе движения электромагнитного поля отсутствуют высокочастотные пульсации двойной частоты сети и, как следствие, - в электромагнитном моменте и скорости. Все это в целом улучшает динамические и энергетические характеристики электропривода (фиг. 3).