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 от сети переменного тока.

Известен электропривод постоянного тока [1], содержащий коллекторный электродвигатель постоянного тока, выпрямительный мост, разделительный и шунтирующий диоды, активный фильтр нижних частот, стабилизатор напряжения, задатчик частоты вращения, делитель напряжения, выход которого подключен к инвертирующему входу компаратора, выход которого соединен со входом силового ключа.

Недостатком известного электропривода является зависимость частоты вращения от механической нагрузки на валу электродвигателя.

Задачей, на решение которой направлено создание предлагаемого изобретения, является повышение стабильности и точности регулирования частоты вращения в широком диапазоне нагрузок на валу электродвигателя.

Поставленная задача решается тем, что в электропривод, содержащий коллекторный электродвигатель постоянного тока, выпрямительный мост, разделительный и шунтирующий диоды, активный фильтр нижних частот, стабилизатор напряжения, задатчик частоты вращения, делитель напряжения, выход которого подключен к инвертирующему входу компаратора, выход которого соединен со входом силового ключа, дополнительно введены дифференциальный усилитель, второй и третий компараторы, делитель напряжения, схема выборки - хранения, регулятор, логические элементы ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, при этом к электродвигателю подключены входы дифференциального усилителя, выход которого соединен с неинвертирующими входами второго и третьего компараторов и входом схемы выборки - хранения, управляющий вход которой соединен с выходом логического элемента ИЛИ, а выход подключен через активный фильтр нижних частот к одному из входов регулятора, второй вход которого подключен к задатчику частоты вращения, а выход - к неинвертирующему входу первого компаратора, инвертирующий вход которого соединен параллельно инвертирующему входу второго компаратора, выход которого подключен к одному из входов логического элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, входы которого подключены к выходам первого и третьего компараторов, при этом инвертирующий вход третьего компаратора подключен к выходу дополнительного делителя напряжения, соединенного с выходом стабилизатора напряжения.

На фиг.1 приведена функциональная схема электропривода постоянного тока; на фиг.2 - форма электрического сигнала: на выходе задатчика частоты вращения Uз (а), на выходе дифференциального усилителя Uд и делителя напряжения Uд.н.(б), на выходе третьего компаратора Uк3 (в), на выходе первого компаратора Uк1 (г), на выходе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ Uи (д), на выходе второго компаратора Uк2 (е), на выходе схемы выборки - хранения Uв (ж), на выходе активного фильтра нижних частот Uф (з).

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. Делитель напряжения 6 и стабилизатор напряжения 7 параллельно включены в диагональ выпрямительного моста 5. Входы дифференциального усилителя 8 подключены к электродвигателю 1, а выход одновременно соединен с неинвертирующими входами второго 9 и третьего 10 компараторов и входом схемы выборки - хранения 11, управляющий вход которой соединен с выходом логического элемента 12 ИЛИ, а выход подключен через активный фильтр нижних частот 13 к одному из входов регулятора 14. Второй вход регулятора 14 подключен к задатчику частоты вращения 15, а выход - к неинвертирующему входу первого компаратора 16, инвертирующий вход которого соединен с выходом делителя напряжения 6 и инвертирующим входом второго компаратора 9. Выход компаратора 9 подключен к одному из входов логического элемента 12 ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом логического элемента 17 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, один из входов которого подключен к выходу первого компаратора 16 и входу силового ключа 4, а другой вход соединен с выходом третьего компаратора 10. Инвертирующий вход третьего компаратора 10 подключен к выходу дополнительного делителя напряжения 18, соединенного с выходом стабилизатора напряжения 7.

Электропривод работает следующим образом. При включении электропривода в сеть переменного тока на функциональные элементы схемы поступает постоянное напряжение питания Uп с выхода стабилизатора напряжения 7. Одновременно на инвертирующие входы компараторов 9 и 16 с выхода делителя напряжения 6 подается сетевое выпрямленное напряжение Uд.н. в виде полуволн положительной полярности и амплитудой, не превышающей допускаемого входного напряжения компараторов 9, 16 (см. фиг. 2 б), а на инвертирующий вход компаратора 10 подается с выхода дополнительного делителя напряжения 18 небольшое опорное напряжение (10-30 мВ), устанавливающее компаратор 10 в выключенное состояние (Uк3 = 0).

Требуемая частота вращения задается уровнем напряжения Uз (фиг. 2 а) на одном из входов регулятора 14. Это напряжение сравнивается с напряжением Uф (фиг. 2 з) на другом входе регулятора, величина которого определяется величиной ЭДС вращения, генерируемой электродвигателем в моменты отсутствия импульсов питающего напряжения и пропорциональной частоте вращения. При наличии разности между напряжениями Uз и Uф регулятор вырабатывает регулирующее воздействие в виде постоянного напряжения, поступающего на неинвертирующий вход компаратора 16, где оно сравнивается с напряжением Uд.н. на инвертирующем входе компаратора 16 (см. фиг. 2 б). При этом, когда постоянное напряжение на неинвертирующем входе превышает переменное напряжение Uд.н. на инвертирующем входе, компаратор 16 срабатывает и открывает силовой ключ 4. Таким образом, длительность τ открытого состояния силового ключа 4 (см. фиг.2 б) и, следовательно, величина напряжения на электродвигателе, определяется величиной регулирующего воздействия на выходе регулятора. Это позволяет регулировать величину напряжения на электродвигателе от нуля до максимального сетевого напряжения в зависимости от заданного уровня напряжения Uз и величины рассогласования между Uз и Uф. В зависимости от требуемого качества регулирования частоты вращения в качестве регулятора 14 может быть использован П-, ПИ- или ПИД-регулятор.

Для выделения ЭДС вращения к электродвигателю 1 подключен дифференциальный усилитель 8. Коэффициент усиления усилителя 8 устанавливается меньше коэффициента делителя напряжения 6 на (5-10)%. При этом напряжение на выходе усилителя 8 Uд в момент появления импульсов питающего напряжения всегда меньше величины питающего напряжения Uд.н. на выходе делителя напряжения 6 (см. фиг. 2 б). Это обеспечивает срабатывание компаратора 9, на входы которого поданы напряжения Uд и Uд.н., только в моменты появления ЭДС вращения в промежутках между полуволнами питающего напряжения, когда Uд > Uд.н. (фиг. 2 е).

Выходной сигнал Uк2 компаратора 9, через логический элемент 12 ИЛИ, поступает на управляющий вход схемы выборки - хранения 11, на вход которой подано напряжение Uд.

При этом осуществляется выборка и хранение значений ЭДС вращения Uв, генерируемой электродвигателем 1 в промежутках между полуволнами питающего напряжения (см. фиг. 2 ж).

При уменьшении коэффициента усиления усилителя 8 более чем на (5-10)%, происходит частичная потеря информации об ЭДС вращения, что ухудшает точность и стабильность регулирования частоты вращения.

Для выделения ЭДС вращения в промежутках между импульсами питающего напряжения τ (см. фиг. 2 б), на неинвертирующий вход компаратора 10 подается входное напряжение Uд усилителя 8, где оно сравнивается с опорным напряжением (10-30 мВ), которое задается делителем напряжения 18. В моменты появления ЭДС вращения и до окончания импульса питающего напряжения τ, напряжение Uд превышает опорное напряжение. При этом компаратор 10 срабатывает, и на его выходе появляется импульс напряжения Uк3 (см. фиг. 2 в), поступающий на один из входов логического элемента 17 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, на другой вход которого подается выходной сигнал компаратора 16, определяющий длительность импульса питающего напряжения τ. На выходе логического элемента 17 формируется выходной сигнал Uи (см. фиг. 2 д), длительность которого равна длительности импульса ЭДС вращения в промежутках между импульсами питающего напряжения. Далее выходной сигнал Uи логического элемента 17 поступает через логический элемент 12 ИЛИ на управляющий вход схемы выборки - хранения 11, где осуществляется выборка и хранение значения ЭДС вращения, генерируемой электродвигателем в промежутках между импульсами питающего напряжения.

При этом исключается искажение или потеря информации о величине ЭДС вращения от импульса питающего напряжения τ и импульса ЭДС самоиндукции τ1 (см. фиг. 2 б), возникающего после запирания силового ключа 4 и компенсирующего на некоторое время ЭДС вращения, величина длительностей которых зависит от механической нагрузки на валу электродвигателя и параметров электродвигателя (индуктивность и сопротивление обмоток электродвигателя).

Выходной сигнал Uв схемы выборки - хранения 11 поступает на вход активного фильтра нижних частот 13, который обеспечивает фильтрацию высокочастотных пульсаций ЭДС вращения. Использование активного фильтра обеспечивает низкий уровень пульсаций постоянного напряжения Uф на выходе фильтра (см. фиг. 2 з) при сохранении высоких динамических характеристик фильтра, что позволяет повысить точность и стабильность регулирования частоты вращения. Далее выходной сигнал активного фильтра 11, пропорциональный частоте вращения, поступает на один из входов регулятора 14, где он сравнивается с напряжением Uз на выходе задатчика частоты вращения 15.

При этом регулятор вырабатывает регулирующее воздействие до установления минимального рассогласования между напряжениями Uф и Uз, что обеспечивает поддержание заданного значения частоты вращения независимо от механической нагрузки.

Таким образом, предлагаемый электропривод обеспечивает высокую точность и стабильность слежения за заданной частотой вращения, а также высокое быстродействие в управлении электродвигателем в широком диапазоне, независимо от параметров электродвигателя и без применения специальных датчиков частоты вращения.

Предлагаемый электропривод опробирован на различных серийно выпускаемых универсальных коллекторных электродвигателях постоянного тока полезной мощностью от 60 до 600 Вт. Результаты испытаний показали достаточно высокие технические характеристики электропривода: точность поддержания частоты вращения при изменении механической нагрузки от нуля до номинального значения +10% от заданного значения частоты вращения (во всем диапазоне регулирования частоты вращения), широкий диапазон регулирования от 400 до 12000 об/мин, отсутствие необходимости использования датчиков частоты вращения.

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

Таким образом, введение в схему электропривода дополнительных функциональных элементов и новых связей между ними позволяет повысить потребительские и технические качества устройств, в которых используется электропривод.

Список литературы
1. Патент РФ N 2092963, H 02 P 5/418, Б. И. N 28, 1997 - прототип.