Результат интеллектуальной деятельности: ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования и стабилизации частоты вращения электродвигателей постоянного тока при питании их от сети переменного тока.

Известен электропривод постоянного тока (Патент РФ 2152684, Н 02 Р 5/418, БИ 19, 2000 - прототип), содержащий коллекторный электродвигатель постоянного тока, который шунтирован диодом и через разделительный диод и силовой ключ включен в диагональ выпрямительного моста параллельно с первым делителем напряжения и стабилизатором напряжения, выход которого соединен со вторым делителем напряжения, первый, второй и третий компараторы, схему выборки-хранения, активный фильтр нижних частот, логические элементы ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, регулятор, задатчик частоты вращения, дифференциальный усилитель, входы которого подключены к электродвигателю, а выход соединен с неинвертирующими входами второго и третьего компараторов и входом схемы выборки-хранения, управляющий вход которой подключен к выходу логического элемента ИЛИ, один из входов которого соединен с выходом второго компаратора, а второй вход - с выходом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, один из входов которого подключен к выходу первого компаратора и входу силового ключа, а второй вход - с выходом третьего компаратора.

Недостатком известного электропривода является недостаточно высокие пусковые характеристики вследствие ограничения пусковых характеристик электродвигателя параметрами регулятора, что особенно проявляется при выходе на минимальную частоту вращения, когда рассогласование между сигналами задания и обратной связи на входе регулятора невелико.

Задачей, на решение которой направлено создание предлагаемого изобретения, является улучшение пусковых характеристик электропривода.

Поставленная задача решается тем, что в электропривод, содержащий коллекторный электродвигатель постоянного тока, который шунтирован диодом и через первый разделительный диод и силовой ключ включен в диагональ параллельно с первым делителем напряжения и стабилизатором напряжения, выход которого соединен со вторым делителем напряжения, первый, второй и третий компараторы, схему выборки-хранения, первый активный фильтр нижних частот, логические элементы ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, регулятор, задатчик частоты вращения, дифференциальный усилитель, входы которого подключены к электродвигателю, а выход соединен с неинвертирующими входами второго и третьего компараторов и входом схемы выборки-хранения, управляющий вход которой подключен к выходу логического элемента ИЛИ, один из входов которого соединен с выходом второго компаратора, а второй вход - с выходом первого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, один из входов которого подключен к выходу первого компаратора и входу силового ключа, а второй вход - к выходу третьего компаратора, дополнительно введены четвертый и пятый компараторы, логический элемент ИЛИ-НЕ, второй активный фильтр нижних частот, дополнительный ключ, второй разделительный диод, при этом выход схемы выборки-хранения подключен через первый активный фильтр нижних частот к неинвертирующему входу четвертого компаратора и одному из входов регулятора, второй вход которого соединен с выходом задатчика частоты вращения и инвертирующим входом пятого компаратора, а выход регулятора подключен через второй разделительный диод к неинвертирующему входу первого компаратора и через дополнительный ключ - к выходу второго активного фильтра нижних частот, вход которого соединен с выходом первого делителя напряжения и инвертирующими входами первого и второго компараторов, управляющий вход дополнительного ключа подключен к выходу логического элемента ИЛИ-НЕ, входы которого соединены с выходами четвертого и пятого компараторов, а неинвертирующий вход пятого компаратора и инвертирующие входы третьего и четвертого компараторов подключены к выходу второго делителя напряжения.

На фиг.1 приведена функциональная схема электропривода постоянного тока; на фиг. 2 - формы электрического сигнала: на выходе задатчика частоты вращения U_з(а); на выходе дифференциального усилителя U_д, первого делителя напряжения U_д.н и выходе второго активного фильтра нижних частот U_ф2(б); на выходе первого активного фильтра нижних частот U_ф1(в); на выходе четвертого компаратора U_к4(г); на выходе пятого компаратора U_к5(д) и на выходе логического элемента ИЛИ-НЕ U_л.э(е).

Электропривод содержит коллекторный электродвигатель постоянного тока 1, который шунтирован диодом 2 и через разделительный диод 3 и силовой ключ 4 включен в диагональ выпрямительного моста 5 параллельно с первым делителем напряжения 6 и стабилизатором напряжения 7, выход которого соединен со вторым делителем напряжения 8, первый 9, второй 10 и третий 11 компараторы, схему выборки-хранения 12, первый активный фильтр нижних частот 13, логические элементы ИЛИ 14 и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 15, регулятор 16, задатчик частоты вращения 17, дифференциальный усилитель 18, входы которого подключены к электродвигателю 1, а выход соединен с неинвертирующими входами второго 10 и третьего 11 компараторов и входом схемы выборки-хранения 12, управляющий вход которой подключен к выходу логического элемента ИЛИ 14, один из входов которого соединен с выходом второго компаратора 10, а второй вход - с выходом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕЕ ИЛИ 15, один из входов которого подключен к выходу первого компаратора 9 и входу силового ключа 4, а второй вход - к выходу третьего компаратора 11. Кроме того, электропривод содержит четвертый 19 и пятый 20 компараторы, логический элемент ИЛИ-НЕ 21, второй активный фильтр нижних частот 22, дополнительный ключ 23, второй разделительный диод 24, при этом выход схемы выборки-хранения 12 подключен через первый активный фильтр нижних частот 13 к неинвертирующему входу четвертого компаратора 19 и одному из входов регулятора 16, второй вход которого соединен с выходом задатчика частоты вращения 17 и инвертирующим входом пятого компаратора 20, а вход регулятора 16 подключен через второй разделительный диод 24 к неинвертирующему входу первого компаратора 9 и через дополнительный ключ 23 - к выходу второго активного фильтра нижних частот, вход которого соединен с выходом первого делителя напряжения 6 и инвертирующими входами первого 9 и второго 10 компараторов, управляющий вход дополнительного ключа 23 подключен к выходу логического элемента ИЛИ-НЕ 21, входы которого соединены с выходами четвертого 19 и пятого 20 компараторов, а неинвертирующий вход пятого компаратора 20 и инвертирующие входы третьего 11 и четвертого 19 компараторов подключены к выходу второго делителя напряжения 8.

Электропривод работает следующим образом. При включении электропривода в сеть переменного тока на функциональные элементы схемы поступает постоянное напряжение питания U_п с выхода стабилизатора напряжения 7. Одновременно на инвертирующие входы компараторов 9 и 10 и на вход активного фильтра нижних частот 22 с выхода делителя напряжения 6 подается сетевое выпрямленное напряжение U_д.н в виде полуволн положительной полярности и амплитудой, не превышающей допускаемого входного напряжения компараторов 9 и 10 и активного фильтра 22 (фиг. 2б), а на инвертирующие входы компараторов 11, 19 и неинвертирующий вход компаратора 20 подается с выхода второго делителя напряжения 8 небольшое (10-30 мВ) напряжение, устанавливающее компараторы 11, 19 в выключенное состояние (U_к3=U_к4=0), а компаратор 20 - в включенное состояние (U_к5= U_п, фиг.2 г,д). При этом выходной сигнал логического элемента 21 ИЛИ-НЕ равен 0 (U_л.э=0) (фиг.2е), ключ 23 закрыт и выходной сигнал второго активного фильтра нижних частот 22 U_ф2 (фиг.2б) не поступает на вход компаратора 9. При появлении на выходе задатчика частоты вращения 17 постоянного напряжения U₃ (фиг.2а), величина которого определяет частоту вращения, пятый компаратор 20 выключается (U_к5=0, фиг.2д) и на выходе логического элемента 21 ИЛИ-НЕ появляется постоянное напряжение (U_л.э=U_п, фиг.2е), открывающее ключ 23. При этом на неинвертирующий вход компаратора 9 подается постоянное напряжение U_ф2 с выхода активного фильтра 22. Когда напряжение U_ф2 превышает пульсирующее напряжение U_д.н, поступающее на инвертирующий вход компаратора 9, компаратор 9 срабатывает и открывает силовой ключ 4 и на электродвигатель 1 через разделительный диод 3 подается сетевое выпрямленное напряжение с выхода выпрямительного моста 5. Величина выходного напряжения U_ф2 задается коэффициентом передачи активного фильтра 22 и устанавливается ниже максимального амплитудного значения пульсирующего напряжения U_д.н (фиг. 2б), что обеспечивает наличие интервалов времени τ₂ (фиг.2б), когда силовой ключ закрыт, и возможность определения момента начала вращения электродвигателя 1 по появлению ЭДС вращения в эти интервалы времени. Регулируя величину коэффициента передачи можно задавать величину напряжения, запускающего электродвигатель в зависимости от величины статического момента нагрузки на валу электродвигателя 1. Использование активного фильтра 22 обеспечивает низкий уровень пульсаций постоянного напряжения на выходе фильтра 22 при сохранении высоких динамических характеристик фильтра, что обеспечивает стабильную длительность интервалов τ₂, независимо от колебаний и пульсаций сетевого напряжения.

Разделительный диод 24 исключает возможность попадания напряжения U_ф2 на вход регулятора 16, где в это время формируется регулирующее воздействие, скорость нарастания которого определяется типом регулятора, его параметрами, величиной рассогласования и т.д.

При появлении ЭДС вращения (фиг.2б) включается компаратор 19 (фиг.2г) и на выходе логического элемента ИЛИ-НЕ появляется выходной сигнал, равный 0 (U_л.э=0, фиг.2д), ключ 23 запирается, отключая выходной сигнал активного фильтра 22 от входа компаратора 9. Схема переходит в режим стабилизации частоты вращения, когда напряжение на электродвигателе определяется только величиной напряжения (регулирующего воздействия) на выходе регулятора 16.

В этом режиме напряжение U_з (фиг.2а) поступающее на один из входов регулятора 16 с выхода задатчика частоты вращения 17, сравнивается с напряжением U_ф1 (фиг. 2в) на другом входе регулятора 16, и величина которого определяется величиной ЭДС вращения, генерируемой в электродвигателе 1 в момент отсутствия импульсов питающего напряжения (τ₂, фиг.2б) и пропорциональной частоте вращения. При наличии разности между напряжениями U_ф1 и U_з регулятор вырабатывает регулирующее воздействие в виде постоянного напряжения, поступающего на неинвертирующий вход компаратора 5, где оно сравнивается с напряжением U_д.н на инвертирующем входе компаратора 9 (фиг.2б). При этом, когда постоянное напряжение на неинвертирующем входе превышает переменное напряжение U_д.н на инвертирующем входе, компаратор 9 срабатывает и открывает силовой ключ 4. Таким образом длительность τ открытого состояния силового ключа 4 (фиг.2б) и, следовательно, величина напряжения на электродвигателе 1, определяется величиной регулирующего воздействия на выходе регулятора 16. Это позволяет регулировать величину напряжения на электродвигателе 1 от нуля до максимального сетевого напряжения в зависимости от заданного уровня напряжения U_з и величины рассогласования между U_з и U_ф.

Для выделения ЭДС вращения к электродвигателю подключен дифференциальный усилитель 18. Коэффициент усиления усилителя 18 устанавливается меньше коэффициента делителя напряжения 6 на (5-10)%. При этом напряжение на выходе усилителя 18 U_д всегда меньше величины питающего напряжения U_д.н (фиг.2б). Это обеспечивает срабатывание компаратора 10, на входы которого поданы напряжения U_д и U_д.н только в моменты появления ЭДС вращения в промежутках между полуволнами питающего напряжения, когда U_д>U_д.н (фиг.2б). Выходной сигнал U_к2 компаратора 10, через логический элемент 14 ИЛИ, поступает на управляющий вход схемы выборки-хранения 12, на вход которой подается напряжение U_д. При этом осуществляется выборка и хранение ЭДС вращения, генерируемой электродвигателем 1 в промежутках между полуволнами питающего напряжения.

Для выделения ЭДС вращения в промежутках между импульсами питающего напряжения τ (фиг.2б) на неинвертирующий вход компаратора 11 подается напряжение U_д, где оно сравнивается с опорным напряжением делителя 8. В момент появления ЭДС и до окончания импульса питающего напряжения τ, напряжение U_д превышает опорное напряжение. При этом компаратор 11 срабатывает и на его выходе появляется импульс напряжения U_к3, поступающий на один из входов логического элемента 15 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, на другой вход которого подается выходной сигнал U_к1 компаратора 9, определяющий длительность импульса питания τ. На выходе логического элемента 15 формируется выходной сигнал U_и, длительность которого равна длительности ЭДС вращения в промежутках между импульсами τ питающего напряжения. Далее выходной сигнал U_и поступает через логический элемент 14 ИЛИ на управляющий вход схемы выборки-хранения 12, где осуществляется выборка и хранение ЭДС, генерируемой электродвигателем 1 в промежутках между импульсами питающего напряжения. При этом исключаются искажение или потеря информации о величине ЭДС от длительности импульса питающего напряжения τ и импульса ЭДС самоиндукции τ₁ (фиг.2б).

Выходной сигнал U_в схемы выборки-хранения 12 поступает на вход активного фильтра 13, который обеспечивает фильтрацию высокочастотных пульсаций ЭДС вращения. Далее выходной сигнал активного фильтра 13 поступает на один из входов регулятора 16, где он сравнивается с выходным напряжением задатчика частоты вращения 17.

При установке на выходе задатчика частоты вращения 17 напряжения U_з=0 (фиг.2а) регулирующее воздействие регулятора отключает электродвигатель 1 от питающего напряжения, он останавливается и ЭДС вращения становится равной нулю (фиг.2в). При этом компараторы 19, 20 устанавливаются в исходное положение (фиг.2г, д), схема готова к последующему запуску.

Таким образом, введение в схему электропривода новых функциональных элементов и связей, создает дополнительную цепь запуска электродвигателя, которая позволяет выйти на любую заданную частоту вращения сразу после включения электропривода, а также регулировать величину пускового тока в зависимости от величины статического момента на валу электродвигателя.

Предлагаемый электропривод апробирован на различных серийно выпускаемых коллекторных электродвигателях постоянного тока с последовательным и независимым возбуждением полезной мощностью от 60 до 600 Вт.

Функциональные элементы схемы электропривода могут быть реализованы на различных общеизвестных в электронной технике схемных решениях и конструктивно выполнены на различных сериях полупроводниковых приборов.

Таким образом, введение в схему электропривода новых функциональных элементов и новых связей между ними позволяет повысить технические и потребительские качества устройств, в которых используется электропривод (например, электропривод бытовых стиральных машин, который при запуске преодолевает значительный статический момент и момент инерции элемента привода).