УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ТОКА В ФАЗЕ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА Российский патент 1994 года по МПК H02P7/42 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в частотно-регулируемых электроприводах с широтно-импульсной модуляцией.

Известен асинхронный электропривод с микропроцессорным управлением, в котором формирование тока в фазе электродвигателя осуществляется аппаратно с помощью устройства с пропорционально-интегральным регулятором тока (Богаченко Д. Д., Гусяцкий Ю.М., Жуков С.В.) Широкодиапазонный асинхронный электропривод с микропроцессорным управлением// Электротехника, 1989, N 12, с.2-5). Параметры регулятора тока рассчитываются исходя из заданного критерия качества и зависят от обмоточных данных асинхронного двигателя.

Недостаток данного устройства - недостаточная точность формирования тока при наличии внешних и внутренних возмущающих факторов, таких как влияние ЭДС двигателя при изменении частоты вращения и момента нагрузки.

Этот недостаток устраняется в устройстве для формирования тока в фазе частотно-управляемого электропривода, содержащем последовательно соединенные генератор синусоидального сигнала, дифференциальный усилитель, компаратор, формирователь управляющих импульсов, инвертор и датчик тока, подключенный к фазной обмотке двигателя. В качестве регулятора тока здесь используется компаратор с гистерезисом, то есть регулятор тока является релейным, что обеспечивает независимость качества регулирования тока от внешних и внутренних возмущающих факторов.

Недостаток данного устройства - низкая точность формирования тока в фазе двигателя при дискретной работе генератора синусоидального сигнала, формирующего синусоидальный сигнал ступенчатой формы, связанная с наличием биений (субгармонических колебаний) в токе, так как частота дискретности генератора синусоидального сигнала и частота переключений инвертора не синхронизированы во времени (Бизиков В.А., Миронов В.Н. Обухов С.Г., Шамгунов Р.Н. Системы управления тиристорными преобразователями частоты. М.: Энергоиздат, 1981, с. 53). Такие режимы бывают в цифровых системах управления высокоточными электроприводами, где контуры положения и скорости реализованы программно, а контуры фазных токов - аппаратно, и связь между ними осуществлена посредством цифроаналоговых преобразователей. Переменная частота переключений компаратора предполагает необходимость выбора силовых элементов инвертора на максимальную частоту переключений, что приводит к усложнению конструкции и увеличению массогабаритных показателей.

Цель изобретения - повышение точности формирования тока при одновременном упрощении и улучшении массогабаритных показателей.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для формирования тока в фазе частотно-управляемого асинхронного электропривода, содержащее генератор синусоидального сигнала, выходом соединенный с инверсным входом первого дифференциального усилителя, последовательно соединенные формирователь управляющих импульсов, инвертор на силовых вентилях и датчик тока фазной обмотки электродвигателя, введены генератор пилообразного напряжения, второй дифференциальный усилитель, элемент НЕ, IK-триггер. Выход генератора пилообразного напряжения подключен к прямым входам первого и второго дифференциальных усилителей, инверсный вход второго дифференциального усилителя соединен с информационным выходом датчика тока, а выход - с I-входом IK-триггера и входом элемента НЕ, выход которого подключен к К-входу упомянутого триггера, С-вход которого соединен с выходом первого дифференциального усилителя, а выход IK-триггера подключен к входу формирователя управляющих импульсов. Формирователь составлен из логической схемы НЕ, двух логических схем И-НЕ и двух RC-цепочек, вход схемы НЕ непосредственно связан с одним из входов первой логической схемы И-НЕ и через резистор первой RC-цепочки - с другим входом И-НЕ, выход логической схемы НЕ связан непосредственно с одним из входов второй логической схемы И-НЕ и через резистор второй RC-цепочки - с другим входом упомянутой схемы. Выводы конденсаторов RC-цепочек, не соединенные с соответствующими резисторами, заземлены. Вход логической схемы НЕ и выходы обеих логических схем И-НЕ образуют соответственно вход и выходы формирователя управляющих импульсов.

Наличие положительного эффекта обеспечивается следующим образом. Работа генератора пилообразного напряжения тактируется импульсами опорной частоты f_o цифровой части системы управления, выходной элемент которой - цифроаналоговый преобразователь - переключается с этой же частотой и является задевающим генератором синусоидального сигнала для контура фазного тока. Тактируемый IK-триггер переключается также с частотой f_о, т.е. с частотой, равной частоте переключения генератора синусоидального напряжения. В этом случае генератор синусоидального сигнала и инвертор работают синхронно с частотой f_о, что определяет отсутствие биений в токе от дискретной работы данных элементов. В известном по прототипу устройстве частота срабатывания компаратора является переменной и зависит от внутренних и внешних возмущающих факторов, что обусловливает наличие биений в токе при ступенчатом задающем сигнале, которые снижают точность формирования тока. Кроме того, при переменной частоте переключений инвертор должен быть выбран на продолжительную работу при максимально возможной частоте переключений, т.е. выбран на режим максимальных потерь мощности, что приводит к увеличению массогабаритных показателей. На высокой частоте переключений усложняются цепи формирования траекторий переключения силовых элементов, повышаются требования к быстродействию силовых элементов, что приводит к усложнению устройства. При постоянной частоте переключений инвертора можно выбрать минимальный уровень частоты исходя из допустимой величины пульсаций тока, что позволяет упростить его конструкцию и улучшить массогабаритные показатели.

Таким образом, использование в данном устройстве генератора пилообразного напряжения, второго дифференциального усилителя, элемента НЕ, тактируемого IK-триггера, а также выполнение формирователя управляющих импульсов, состоящего из логической схемы НЕ, двух логических схем И-НЕ и двух RC-цепочек неизвестно, позволяет повысить точность формирования тока при одновременном упрощении и улучшении массогабаритных показателей, следовательно, предложенное техническое решение обладает существенными отличительными признаками.

На фиг.1 показана функциональная схема; на фиг.2 - схема формирователя управляющих импульсов; на фиг.3 - схема генератора пилообразного напряжения; на фиг.4 - временная диаграмма, поясняющая работу устройства.

Устройство содержит дискретный генератор синусоидального сигнала 1, к выходу которого подключен инверсный вход первого дифференциального усилителя 2, прямой вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения 3 и с прямым входом второго дифференциального усилителя 4, инверсный вход второго дифференциального усилителя соединен с информационным выходом датчика тока 5, а выход - с I-входом IK-триггера 6 и входом элемента НЕ 7, выход которого подключен к К-входу триггера, С-вход которого соединен с выходом первого дифференциального усилителя, а выход IK-триггера подключен ко входу формирователя управляющих импульсов 8, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами инвертора 9, выход которого через силовую цепь датчика тока 5 подключен к фазной обмотке 10 асинхронного электродвигателя 11. Формирователь управляющих импульсов 8 составлен из логической схемы НЕ, двух логических схем И-НЕ и двух RC-цепочек. Вход схемы НЕ 12 непосредственно связан с одним из входов первой логической схемы И-НЕ 13 и через резистор 14 первой RC-цепочки - с другим входом И-НЕ. Выход логической схемы НЕ связан непосредственно с одним из входов второй логической схемы И-НЕ 15 и через резистор 16 второй RC-цепочки - с другим входом упомянутой схемы, выводы конденсаторов 17 и 18 первой и второй RC-цепочки, не соединенные с соответствующими резисторами, заземлены. Вход логической схемы НЕ и выходы обеих логических схем И-НЕ образуют соответственно вход и выходы формирователя управляющих импульсов.

Пример выполнения генератора пилообразного напряжения 3 показан на фиг. 3, где 19...21 - резисторы, 22 и 23 - операционные усилители, 24 - конденсатор, 25 - транзистор.

Инвертор 9 выполнен на силовых транзисторах с обратными диодами (Кочетков В.Д. и др. Системы регулирования электроприводов переменного тока с микропроцессорным управлением. Электротехническая промышленность. Сер.08. Электропривод: Обзорн. информ., 1989, вып. 26, с.18, рис.9а). Управление с формирователя управляющих импульсов 8 подается на базы двух последовательно соединенных транзисторов, крайние точки которых подключены к источнику напряжения, а средняя через датчик тока соединяется с обмоткой двигателя. Дифференциальные усилители 2 и 4 являются операционными усилителями общепромышленного назначения.

Устройство работает следующим образом. На инверсный вход первого дифференциального усилителя 2 поступает ступенчатый сигнал 27 с генератора синусоидального сигнала 1, на прямой вход этого усилителя подается напряжение 26 с генератора пилообразного напряжения 3. Пилообразное напряжение 26 формируется следующим образом. На базу транзистора 25 подаются узкие положительные импульсы с частотой f_о, которые осуществляют разряд конденсатора 24 до нуля. Заряд конденсатора происходит линейно выходным положительным напряжением усилителя 22, на инверсный вход которого через резистор 19 подается отрицательное напряжение - U_n. Операционный усилитель 23 служит для инвертирования выходного сигнала усилителя 22 и его смещения с помощью напряжения U_см в отрицательном направлении до симметрии относительно нулевого уровня. Дифференциальный усилитель 2 имеет большой коэффициент усиления и на его выходе формируется сигнал 29, равный усиленной разности входных сигналов. Этот сигнал поступает на С-вход IK-триггера 6, который срабатывает по заднему фронту импульса на С-входе. На прямой вход второго дифференциального усилителя 4 поступает напряжение 26 с генератора пилообразного напряжения 3, на инверсный вход этого усилителя подается сигнал 28 с датчика тока 5. Выходной сигнал 30 дифференциального усилителя 4 поступает на I-вход IK-триггера 6 и через логический элемент НЕ 7 на К-вход этого же триггера. Если при поступлении заданного фронта сигнала 29 I=1 и К=0, то триггер переключается в единицу, если I=0, K=1, то триггер переключится в ноль. С выхода триггера логический сигнал 31 поступает на формирователь управляющих импульсов 8, который формирует две последовательности импульсов 32 и 33.

Формирователь управляющих импульсов работает следующим образом.

Входные импульсы 31 подаются на один из входов элемента И-НЕ 13, на другой вход которого поступают задержанные с помощью RC-цепи 14, 18 те же входные импульсы. На выходе элемента 13 формируются инверсные по отношению ко входному сигналу импульсы 33, с задержкой формирования фронта 1 ->> 0 на 20. . . 30 мкс. Цепь элементов 12, 15, 16 и 17 формирует импульсы 32, неинверсные входному сигналу, с задержкой формирования фронта 1 ->> 0 на 20... 30 мкс. Таким образом, сигналы 32 и 33 для управления верхним и нижним транзисторами инвертора 9 находятся в противофазе и разделены во времени для исключения сквозных токов. Управляющие импульсы последовательной 32 и 33 поочередно открывают транзисторы инвертора и в фазе двигателя формируется разнополярное напряжение прямоугольной формы, под действием которого в цепи фазной обмотки 10 двигателя 11 протекает ток, который, проходя через силовую цепь датчика тока 5, формирует напряжение 28 обратной связи по току, которое подается на инверсный вход второго дифференциального усилителя 4. Таким образом, длительность импульсов последовательностей 29 и 30 пропорциональна величине задающего 27 и действительного 28 сигналов тока соответственно. При превышении током положительного знака заданного значения длительность импульса последовательности 29 больше длительности импульса последовательности 30 и триггер 6 переключается в нулевое состояние задним фронтом импульса 29, подключая с помощью транзистора инвертора 9 фазу двигателя к отрицательному полюсу источника напряжения, что приведет к снижению величины тока. При уменьшении тока ниже заданного значения длительность импульса последовательности 29 станет меньше длительности импульса последовательности 30, триггер 6 переключится в единичное состояние, фаза двигателя подключится к положительному полюсу источника напряжения, что приведет к увеличению тока. Процесс формирования тока, в данном случае, осуществляется путем возникновения вынужденных автоколебаний постоянной частоты тока в фазе относительно заданного значения. Генератор синусоидального сигнала и инвертор работают синхронно, что определяет отсутствие биений в токе от дискретной работы данных элементов. Кроме того, инвертор работает с постоянной частотой коммутаций транзисторов, независимо от внутренних и внешних возмущений, что позволяет по сравнению с известным устройством упростить его конструкцию и уменьшить массогабаритные показатели.

Использование: для регулирования частотно-регулируемых электроприводов с широтно-импульсной модуляцией. Сущность изобретения: устройство содержит дискретный генератор синусоидального сигнала, к выходу которого подключен инверсный вход первого дифференциального усилителя, прямой вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения и с прямым входом второго дифференциального усилителя. Инверсный вход второго дифференциального усилителя соединен с информационным выходом датчика тока, а выход - с J-входом JK-триггера и входом элемента НЕ, выход которого подключен к К-входу триггера, С-вход которого соединен с выходом первого дифференциального усилителя. Выход JK-триггера подключен ко входу формирователя управляющих импульсов, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами инвертора, выход которого через силовую цепь датчика тока подключен к фазной обмотке асинхронного двигателя. Формирователь управляющих импульсов составлен из логической схемы НЕ и двух логических схем И - НЕ. 4 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ТОКА В ФАЗЕ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА, содержащее генератор синусоидального сигнала, выходом соединенный с инверсным входом первого дифференциального усилителя, последовательно соединенные формирователь управляющих импульсов, инвертор на силовых вентилях и датчик тока фазной обмотки электродвигателя, отличающееся тем, что, с целью повышения точности формирования тока при одновременном упрощении и улучшении массогабаритных показателей, введены генератор пилообразного напряжения, второй дифференциальный усилитель, элемент НЕ, JK-триггер, причем выход генератора пилообразного напряжения подключен к прямым входам первого и второго дифференциальных усилителей, инверсный вход второго дифференциального усилителя соединен с информационным выходом датчика тока, а выход - с J-входом JK-триггера и входом элемента НЕ, выход которого подключен к K-входу упомянутого триггера, C-вход которого соединен с выходом первого дифференциального усилителя, а выход JK-триггера подключен к входу формирователя управляющих импульсов, при этом формирователь составлен из логической схемы НЕ, двух логических схем И - НЕ и двух RC-цепочек, вход схемы НЕ непосредственно связан с одним из входов первой логической схемы И - НЕ и через резистор первой RC-цепочки - с другим входом И - НЕ, выход логической схемы НЕ связан непосредственно с одним из входов второй логической схемы И - НЕ и через резистор второй RC-цепочки - с другим входом упомянутой схемы, выводы конденсаторов RC-цепочек, не соединенные с соответствующими резисторами, заземлены, вход логической схемы НЕ и выходы обеих логических схем И - НЕ образуют соответственно вход и выходы формирователя управляющих импульсов.