УСТРОЙСТВО ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ПО ТОКУ ЭЛЕКТРОПРИВОДА Российский патент 1994 года по МПК H02P5/06 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах управления электроприводов.

Известно устройство обратной связи по току для электропривода, содержащее питающий трансформатор, измерительное сопротивление, подключенное к вторичной обмотке трансформатора тока, первичная обмотка которого включена в цепь измеряемого тока [1].

Недостатками этого устройства являются относительно невысокая надежность, большие сложность и дороговизна из-за применения трансформатора тока и других намоточных изделий.

Известно устройство обратной связи по току для электропривода, содержащее два измерительных резистора, силовой делитель напряжения из двух резисторов, потенциометр и источник напряжения, средняя точка которого связана со средней точкой силового делителя напряжения [2].

Недостатком этого устройства является ограниченная область применения из-за невысоких значений точности и надежности. Во-первых, невысокие точность и надежность определяются применением силового делителя напряжения и потенциометра, в котором сопротивление скользящего контакта изменяется в процессе эксплуатации. Во-вторых, схема измерения тока такова, что точность устройства обратной связи зависит от значения напряжения питания силовых полупроводниковых ключей электропривода. Приемлемая для практических задач точность обеспечивается только при напряжениях питания до 30-50 В.

В промышленности используются электроприводы с напряжением питания 500-1000 В и в них нельзя применять известное устройство из-за больших погрешностей измерения тока, достигающих 100% и более.

Цель изобретения - расширение области применения устройства обратной связи по току за счет повышения его точности и надежности.

Цель достигается тем, что в устройство обратной связи по току электропривода, содержащее два измерительных резистора, по одному выводу которых образуют первый и второй силовые входы, а два других вывода образуют силовые выходы, силовой делитель напряжения на резисторах, крайние выводы которого соединены соответственно с первым и вторым силовыми входами, а средняя точка этого делителя, образующая первый выход устройства, соединена со средней точкой источника напряжения для питания системы управления электропривода, дополнительно введены первый и второй измерительные делители напряжения на резисторах, первый и второй вспомогательные источники напряжения со средними точками, первый и второй масштабные усилители напряжения, усилитель напряжения с дифференциальными входами, которые подключены к средним точкам упомянутых первого и второго измерительных делителей напряжения, причем крайние выводы первого измерительного делителя, также как и средние точки первого и второго вспомогательных источников напряжения, подключены соответственно к первому и второму силовым входам устройства, крайние выводы второго измерительного делителя подключены по отдельности к выходам соответственно первого и второго масштабных усилителей напряжения, входы первого из которых подключены к первому измерительному резистору, а его цепи питания - к первому из вспомогательных источников напряжения, входы второго масштабного усилителя напряжения подключены к второму измерительному резистору, а его цепи питания подключены к второму из вспомогательных источников напряжения, при этом цепи питания усилителя напряжения с дифференциальными входами подключены к источнику напряжения для питания системы управления электропривода, а выход этого усилителя образует второй измерительный выход устройства обратной связи по току.

На фиг.1-3 показаны принципиальные схемы предлагаемого устройства.

Устройство содержит равные измерительные резисторы 1 и 2, силовой делитель напряжения на равных резисторах 3 и 4 со средней точкой 5, источник 6 напряжения со средней точкой 7, которая соединена со средней точкой 5, вместе они образуют первый измерительный выход 8 устройства. Крайние выводы резисторов 3 и 4 образуют первый 9 и второй 10 силовые входы устройства, к которым соответственно подключены первые выводы резисторов 1 и 2, вторые выводы которых образуют первый 11 и второй 12 силовые выходы устройства.

Устройство содержит первый измерительный делитель напряжения на резисторах 13 и 14 со средней точкой 15, второй измерительный делитель напряжения на резисторах 16 и 17 со средней точкой 18, первый и второй масштабные усилители 19 и 20 напряжения, первый и второй вспомогательные источники 21 и 22 напряжения соответственно со средними точками 23 и 24, которые соединены соответственно с силовыми входами 9 и 10.

Кроме того, устройство содержит усилитель 25 с дифференциальными входами 26 и 27, с нулевой клеммой 28 и выходом 29, который образует второй измерительный выход устройства. Свободные выводы резисторов 13 и 14 соединены с силовыми входами 9 и 10, а свободные выводы резисторов 16 и 17 соединены соответственно по одному с выходами масштабных усилителей 19 и 20, входы первого из которых соединены с резистором 1, а входы второго - с резистором 2. При этом цепи питания масштабного усилителя 19 подсоединены к источнику 21 напряжения, цепи питания масштабного усилителя 20 подсоединены к источнику 22, а цепи питания усилителя 25 - к источнику 6 напряжения.

Дифференциальные входы 26 и 27 усилителя 25 подсоединены соответственно к средним точкам 15 и 18 измерительных делителей напряжения, а его нулевая клемма 28 соединена с первым измерительным выходом 8.

С целью пояснения использования предлагаемого устройства в системе электропривода (фиг.1) дополнительно показана одна пара полупроводниковых ключей 30 и 31, которые соединены с источником 32 силового напряжения через предлагаемое устройство обратной связи по току. К средней точке ключей подсоединена фазная обмотка 33 исполнительного двигателя электропривода.

Устройство работает следующим образом.

Измеряемый ток i_н одной полярности поступает в обмотку 33 от источника 32 через измерительный резистор 1 и замкнутый ключ 30. Измеряемый ток i_н другой полярности поступает из обмотки 33 через замкнутый ключ 31 и резистор 2 в источник 32. Этот ток создает напряжения U₁ и U₂ на измерительных резисторах 1 и 2, которые усиливаются масштабным усилителями в n раз. На выходах этих усилителей имеются напряжения U₁₉ и U₂₀.

U₁₉ = i_н ˙ R₁ ˙ n,
U₂₀ = i_н ˙ R₂ ˙ n, где R₁ и R₂ - значения резисторов 1 и 2, причем R₁ = R₂;
n - коэффициент усиления масштабных усилителей.

С помощью измерительных делителей на резисторах 13, 14 и 16, 17 напряжения U₁₉ и U₂₀ поступают на дифференциальные входы 26 и 27 усилителя 25.

На выходе 29 усилителя 25 формируется напряжение U₂₉, которое определяется следующим образом:
для положительного тока
U₂₉ = i_н ˙ R₁ ˙ n ˙ m;
для отрицательного тока
-U₂₉ = -i_н ˙ R₂ ˙ n ˙ m, где m - коэффициент передачи измерительных делителей и усилителя 25, равный ≈0,1-1.

На фиг. 2 показана схема масштабного усилителя; на фиг. 3 - то же, с дифференциальными входами.

Источники 21, 22 питания масштабных усилителей могут иметь значения напряжений ±(15-50) В в зависимости от того, какое выходное напряжение усилителей требуется для получения необходимой точности измерения тока. Источник 6 напряжения - это обычный источник со значением ±15 В, применяемый для питания операционных усилителей.

В предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом нет элементов для настроек, что увеличивает надежность. В прототипе применен потенциометр с механическим контактом, с помощью которого производятся настройки: потенциал на движке потенциометра устанавливается равным потенциалу средней точки силового делителя. Во-первых, производится настройка при i_н = 0 перед началом работы. Во-вторых, производятся настройки в процессе работы привода, так как с течением времени не остается постоянным потенциал средней точки силового делителя напряжения: этот делитель не может быть прецизионным, кроме того нагрузка на делитель несимметричная и изменяется в зависимости от режима работы электропривода. Производить настройки в приводах с непрерывным циклом работы невозможно и, следовательно, у прототипа ограниченная область применения.

Предлагаемое устройство содержит два измерительных делителя напряжения и усилитель с дифференциальными входами, что позволяет не производить настроек ни перед началом работы, ни в процессе эксплуатации. Отсутствие потенциометра повышает надежность предлагаемого устройства. Объясняется это тем, что выходное напряжение, несущее информацию о токе i_н и измеряемое относительно средней точки 5 силового делителя, не зависит от потенциала точки 5. Это важно, так как в электроприводах точка 5 образует общую шину, относительно которой совершаются все преобразования напряжений системы управления электроприводом, в том числе и использование напряжения устройства обратной связи по току.

Предлагаемое устройство может быть использовано в электроприводах с высоким силовым напряжением питания.

Например, напряжение источника 32 может быть 540 В и выше. Напряжение 540 В используется в промышленных электроприводах и получается в результате бестрансформаторной схемы выпрямленного напряжения 380 В промышленной трехфазной сети. Объясняется это следующим образом. Современные высокоточные резисторы имеют начальную точность не лучше 0,05%. В процессе эксплуатации можно ориентироваться на точность не более 0,1%. У потенциометров этот показатель не бывает лучше 1%.

Определяют точность измерения тока в прототипе и предлагаемом устройстве. В обоих устройствах измерительные резисторы 1 и 2 принимают одинаковыми и, следовательно, имеют на этих резисторах напряжения:
U₁ = i_нR₁; U₂ = i_нR₂.

Для простоты пояснения не учитывают погрешностей измерения тока i_н, возникающих из-за несоответствия значений реальных резисторов R₁ и R₂ расчетным значениям. Эти погрешности одинаковы в обоих устройствах.

Определяют погрешность измерения тока в прототипе при некотором напряжении U_п источника 32. Значение погрешности при i_н = 0 определяют как разность потенциалов ΔU средней точки 5 силового делителя и движка потенциометра. Несложные вычисления приводят к формуле:
ΔU = α˙ U_п, где α - погрешность резисторов силового делителя. Для простоты вычислений погрешность потенциометра принята равной погрешности резисторов силового делителя. Относительная погрешность для рассматриваемой мостовой схемы опреде- ляется по формуле: ΔU% = = 100% , где U_1макс = i_нмакс ˙ R₁. Определяют погрешность измерения тока в предлагаемом устройстве.

Значение погрешности при i_н = 0 определяют как разность потенциалов ΔV средних точек 15 и 18 измерительных делителей:
ΔV = α₁ . U_п,
где α₁ - погрешноcть резиcторов измерительных делителей. Относительная погрешность определяется по формуле: ΔV% = 100% , где U_19макс = i_нмакс = R_n ˙ n; i_нмакс ˙ R₁ = =U_1макс. Для прототипа и предлагаемого устройства принимают U_п = 500 В, i_нмакс ˙R₁ = 0,5 В,α= =0,001; α₁ = 0,0005; n = (20-100). Тогда ΔU% = = 200% ΔV% = = (1÷5)%
Эти расчеты показывают, что предлагаемое устройство в отличие от прототипа имеет высокую точность измерения тока и может быть использовано в электроприводах с силовым напряжением U_п = 540 В, выпускаемых промышленностью.

Предлагаемое устройство было проверено в составе электропривода с трехфазным асинхронным двигателем при питании напряжением 540 В трехфазного мостового транзисторного усилителя напряжения.

Было испытано три устройства по схеме (фиг. 1), при этом n = 20. При испытаниях погрешность измерения тока в любом из трех устройств не превышало 5%, что находится в соответствии с расчетными значениями погрешности.

Использование: в системах управления электроприводов. Сущность: устройство содержит два измерительных делителя напряжения и усилитель с дифференциальными входами, что позволяет не производить настроек ни перед началом работы, ни в процессе эксплуатации. В данном устройстве повышается надежность, поскольку выходное напряжение, несущее инфомрацию о токе нагрузки и измеряемое относительно средней точки силового делителя, не зависит от потенциала этой точки. 3 ил.

УСТРОЙСТВО ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ПО ТОКУ ЭЛЕКТРОПРИВОДА, содержащее два измерительных резистора, одни выводы которых образуют первый и второй силовые входы, а два других вывода образуют силовые выходы, силовой делитель напряжения на резисторах, крайние выводы которого соединены соответственно с первым и вторым силовыми входами, а средняя точка этого делителя, образующая первый измерительный выход устройства, соединена со средней точкой источника напряжения для питания системы управления электропривода, отличающееся тем, что дополнительно введены первый и второй измерительные делители напряжения на резисторах, первый и второй вспомогательные источники напряжения со средними точками, первый и второй масштабные усилители напряжения, усилитель напряжения с дифференциальными входами, которые подключены к средним точкам упомянутых первого и второго измерительных делителей напряжения, причем крайние выводы первого измерительного делителя, так же как и средние точки первого и второго вспомогательных источников напряжения, подключены соответственно к первому и второму силовым входам устройства, крайние выводы второго измерительного делителя подключены по отдельности к выходам соответственно первого и второго масштабных усилителей напряжения, входы первого из которых подключены к первому измерительному резистору, а его цепи питания - к первому из вспомогательных источников напряжения, входы второго масштабного усилителя напряжения подключены к второму измерительному резистору, а его цепи питания подключены к второму из вспомогательных источников напряжения, при этом цепи питания усилителя напряжения с дифференциальными входами подключены к источнику напряжения для питания системы управления электропривода, а выход этого усилителя образует второй измерительный выход устройства обратной связи по току.