ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 1995 года по МПК H02H7/08 H02P1/42 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах общепромышленных механизмов и бытовой техники для обеспечения пуска и защиты однофазных асинхронных электродвигателей.

Для обеспечения надежного запуска однофазного асинхронного электродвигателя переменного тока используется вспомогательная пусковая обмотка, которая подключается к сети переменного тока на момент запуска двигателя, а после выхода двигателя на рабочий режим отключается от сети.

В частности, известно устройство для пуска однофазного асинхронного электродвигателя, содержащее двухполюсный переключатель, электромагнитное реле с контактом, выпрямительный диод, времязадающую RC-цепь, фазосдвигающий элемент.

Недостатком этого устройства является наличие механического контакта в цепи питания пусковой обмотки, что может вызвать помехи в цепи питания, искрение, снижение надежности работы в результате окисления контакта, а также снижение надежности запуска при увеличении нагрузки на валу двигателя.

Этого недостатка лишена схема запуска и управления электродвигателя переменного тока, выполненная на твердотельных элементах и содержащая электронную безыскровую схему, вырабатывающую сдвинутый по фазе ток для питания пусковой обмотки электродвигателя.

Недостаток этой схемы - сложность реализации и отсутствие средств защиты электродвигателя от перегрузки.

С другой стороны, известен ряд устройств, которые обеспечивают защиту однофазного асинхронного электродвигателя от перегрузки.

В частности, известно устройство для защиты электродвигателя с рабочей и пусковой обмотками, содержащее электромагнитный выключатель, катушка которого подключена в цепь рабочей обмотки, и тепловое реле с биметаллическим элементом, включенным в цепь рабочей обмотки двигателя, и с нагревательной обмоткой, включенной в цепь пусковой обмотки.

Недостатком этого устройства является низкая надежность, обусловленная наличием механических контактов и биметаллического теплового элемента в цепи питания.

Этого недостатка лишено устройство для защиты электродвигателя от перегрузки, содержащее включенный в цепь защищаемого электродвигателя датчик тока, выпрямитель, датчик температуры окружающей среды, квадратор, аналого-частотный преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, реверсивный счетчик, управляемый делитель частоты, блок выявления остановки двигателя, блок выявления пускового режима двигателя, блок выявления токовой недогрузки двигателя, блок выявления сверхтока двигателя, сумматор, блок сигнализации, исполнительный орган и выключатель цепи защищаемого двигателя.

Недостатком этого устройства является сложность и отсутствие средств для запуска двигателя, имеющего вспомогательную обмотку.

Существуют также устройства, объединяющие в себе функции пуска и защиты электродвигателей.

В частности, известно устройство для пуска и защиты электродвигателей, имеющих рабочую и пусковую обмотки, состоящее из двух тепловых элементов, один из которых соединен с пусковой обмоткой и характеризуется медленным срабатыванием, а другой соединен с рабочей обмоткой и отличается быстрым срабатыванием.

Недостатком этого и подобных ему устройств является наличие механических контактов в цепи питания обмоток, а также достаточно высокая инерционность срабатывания при возникновении перегрузки, что может привести к выходу электродвигателя из строя.

Прототипом выбран электропривод переменного тока, содержащий двигатель с рабочей и пусковой обмотками, первые выводы которых соединены между собой и подключены к первой шине питания, и электронную схему управления двигателем, содержащую выпрямитель и осуществляющую функцию запуска двигателя.

Недостатком этого устройства является отсутствие в нем средств защиты электродвигателя от перегрузок по току и недостаточно высокая надежность запуска, так как отключение пусковой обмотки происходит по факту истечения заданного времени, а не по факту установления номинального рабочего режима.

Цель изобретения - повышение надежности запуска двигателя и обеспечение его защиты от перегрузки по току без использования контактных систем.

Цель достигается тем, что в электроприводе переменного тока, содержащем двигатель с рабочей и пусковой обмотками, первые выводы которых соединены между собой и подключены к первой шине питания, и электронную схему управления двигателем, содержащую выпрямитель, согласно изобретению, в электронную схему управления введены трансформатор тока, линейный преобразователь тока в напряжение, пиковый детектор, формирователь импульсов, пороговое устройство, счетчик импульсов, блокинг-генератор, логические элементы ИЛИ, "Нет", НЕ, усилитель, а также первый и второй ключи с двусторонней проводимостью; первичная обмотка трансформатора тока включена в цепь питания рабочей обмотки последовательно с первым ключом, управляющий вход которого соединен с выходом блокинг-генератора и с информационным входом элемента "Нет", выход которого через усилитель подключен к управляющему входу второго ключа, выводы которого через пусковую обмотку и первый ключ подсоединены к шинам питания; вторичная обмотка трансформатора тока подключена к линейному преобразователю и к входам пикового детектора, выход которого соединен с входом порогового устройства, соединенного выхода с управляющим входом элемента "Нет" и с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого через элемент НЕ соединен с выходом счетчика импульсов и управляющим входом блокинг-генератора, а выход - с установочным входом счетчика, счетный вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, подключенного входом к выходу выпрямителя, соединенного входами с шинами питания. Кроме того, к выходу выпрямителя подключен стабилизатор напряжения для питания узлов электронной схемы управления.

Достижение цели изобретения обеспечивается тем, что единая электронная схема управления обеспечивает функции не только запуска, но и защиты двигателя от перегрузки по току, при этом выполнение указанных функций осуществляется без использования механических контактов, т.е. безыскровым методом. Кроме того, отключение пусковой обмотки происходит по факту установления номинального тока через рабочую обмотку двигателя, что предотвращает преждевременное или запаздывающее отключение пусковой обмотки, обеспечивая более надежный запуск двигателя.

На фиг.1 приведена схема электропривода; на фиг.2 - диаграммы, поясняющие его работу.

Электропривод содержит электрический двигатель 1 с рабочей и пусковой обмотками 2, 3 и электронную схему 4 управления двигателем. Электронная схема 4 содержит трансформатор 6 тока, линейный преобразователь 7 тока в напряжение, пиковый детектор 8, формирователь 9 импульсов, пороговое устройство 10, счетчик 11 импульсов, элемент НЕ 12, элемент ИЛИ 13, блокинг-генератор 14, элемент "Нет" 15, усилитель 16, первый и второй ключи 17 и 18, стабилизатор 19 напряжения.

Первые выводы обмоток 2 и 3 соединены между собой и подключены к одной из шин питания. Первичная обмотка трансформатора 6 тока включена в цепь питания рабочей обмотки 2 последовательно с ключом 18 и в цепь питания пусковой обмотки 3 последовательно с ключами 17 и 18, выполненными, например, на симисторах. Вторичная обмотка трансформатора 6 тока подключена к линейному преобразователю 7, выполненному в виде эталонного резистора, и к входам пикового детектора 8. Выход выпрямителя 5 подключен к входу формирователя 9 импульсов, выполненному, например, в виде триггера Шмидта, инверсный выход которого соединен со счетным входом счетчика 11. Вход порогового устройства 10 подключен к выходу пикового детектора 8, а его инверсный выход - к первому входу элемента ИЛИ 13 и к управляющему входу элемента "Нет" 15. Пороговое устройство 10 может быть также выполнено на основе триггера Шмидта (при необходимости разгрузки выходной цепи могут быть использованы два триггера Шмидта). Выход счетчика 11 через элемент НЕ 12 подключен к другому входу элемента ИЛИ 13 и к управляющему входу блокинг-генератора 14, выход которого соединен с другим входом элемента "Нет" 15 и с управляющим входом ключа 18. Выход элемента "Нет" 15 соединен через усилитель 16 с управляющим входом ключа 17. Установочный вход счетчика 11 соединен с выходом элемента ИЛИ 13.

Трансформатор 6 тока выполнен на сердечнике из материала с прямоугольной петлей гистерезиса, что позволяет снизить габариты трансформатора, а также осуществить передачу амплитуды измеряемого тока с минимально погрешностью за счет незначительной величины тока подмагничивания в ненасыщенном состоянии сердечника.

Работает электропривод переменного тока следующим образом.

Сетевое напряжение подается на вход выпрямителя 5, а с его выхода - на вход стабилизатора 19 постоянного напряжения. При установлении напряжения на его выходе блокинг-генератор 14 начинает генерировать двухполярные импульсы тока (фиг.2а), которые поступают на вход схемы "Нет" 15 и на управляющий вход ключа 18, отпирая последний. При этом происходит подключение рабочей обмотки 2 к питающей сети (фиг.2б). При подключении рабочей обмотки 2 двигателя 1 наблюдается скачок потребляемого тока (фиг.2в), который улавливается вторичной обмоткой трансформатора 6 и в виде пропорционального ему напряжения на резисторе 7 поступает на вход пикового детектора 8. На выходном емкостном фильтре пикового детектора 8 формируется постоянное напряжение (фиг. 2г), обеспечивающее срабатывание порогового устройства 10 (фиг. 2д). При этом на его инверсном выходе формируется уровень логического нуля, поступающий на управляющий вход логического элемента "Нет" 15, обеспечивая прохождение импульсов с выхода блокинг-генератора 14 на выход элемента "Нет" 15 и далее через усилитель 16 на управляющий вход ключа 17 (фиг.2е). При этом пусковая обмотка 3 через открытые ключи 17 и 19 подключается к питающей сети (фиг.2ж).

Частота колебаний блокинг-генератора 14 выбрана достаточно высокой, что позволяет осуществлять включение ключей 17 и 18 в каждый полупериод сетевой частоты вблизи перехода тока нагрузки через нулевой уровень. Это обеспечивает облегченный режим коммутации и минимальные искажения формы коммутирующего тока.

В процессе увеличения оборотов двигателя ток через его обмотки, измеряемый трансформатором 6, уменьшится (фиг.2в). При этом напряжение на выходе пикового детектора 8 также уменьшится до величины порога отпускания устройства 10 (фиг.2г). На его инверсном выходе появится уровень логической единицы (фиг. 2д), поступающий на запрещающий вход логического элемента "Нет" 15, препятствуя прохождению импульсов с блокинг-генератора на его выход (фиг. 2е), что вызывает запирание ключа (фиг.2ж). При этом пусковая обмотка 2 отключается от сети.

В режиме защиты устройство работает следующим образом.

При возрастании тока, протекающего через рабочую обмотку 2 двигателя, возрастает напряжение на выходе пикового детектора 8 до величины порога срабатывания порогового устройства 10. Сигнал логического нуля с его инверсного выхода через элемент ИЛИ 13 поступает на установочный вход счетчика 11 и переводит его из режима блокировки в режим счета. На счетный вход счетчика 11 поступают импульсы удвоенной частоты питающего напряжения с выхода формирователя 9 импульсов (фиг.2з). Если к моменту времени, когда на выходе последнего разряда счетчика появится сигнал высокого уровня (фиг. 2и), ток перегрузки и соответствующее ему напряжение на выходе пикового детектора 8 не уменьшаются до уровня отпускания порогового устройства 10, указанный сигнал, пройдя через элемент НЕ 12 и через элемент ИЛИ 13, подтвердит дальнейшую работу счетчика 11 в режиме счета. Одновременно сигнал с выхода элемента НЕ 12 поступает на управляющий вход блокинг-генератора 14 и переводит его из режима генерации в режим молчания. При этом запирается ключ 18 и полностью обесточивается обмотка 2. Счетчик 11 продолжает работать до завершения полного цикла счета, определяемого емкостью счетчика 11, после чего он устанавливается в исходное состояние, режим счета возобновляется, а запрет на работу блокинг-генератора снимается. Работа устройства начинается сначала.

Если ток перегрузки успевает уменьшиться до момента появления сигнала на выходе последнего разряда счетчика 11, на выходе порогового устройства 10 появляется сигнал, блокирующий через элемент ИЛИ 13 работу счетчика. При запуске двигателя время установления номинального тока через обмотки двигателя гарантированно меньше времени от начала счета до появления сигнала на его выходе, поэтому счетчик 11 своевременно устанавливается сигналом с выхода порогового устройства 10 в режим блокировки счета, обеспечивая непрерывную работу блокинг-генератора 13.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществить и запуск, и защиту асинхронного однофазного электрического двигателя, производя отключение соответствующих обмоток, без использования механических контактов. При этом большая часть узлов электронной схемы используется для реализации обеих функций. Использование трансформатора тока позволяет своевременно реагировать на изменения тока в цепи нагрузки и исключить неоправданный перерасход энергии. Применение в устройстве блокинг-генератора позволяет получить двухполярные управляющие импульсы достаточно большой мощности, необходимые для включения симисторов при малой средней потребляемой мощности, за счет большой скважности генерируемых импульсов. Это позволяет использовать в устройстве сравнительно маломощный стабилизированный источник питания. Компактность устройства позволяет использовать его в бытовых электроприборах.

Использование: электротехника, электроприводы общепромышленных механизмов. Сущность изобретения: электропривод содержит однофазный асинхронный электродвигатель с рабочей и пусковой обмотками и электронную схему управления двигателем, обеспечивающую функции запуска электродвигателя и его защиту от перегрузки по току. Чувствительным элементом является трансформатор тока, вторичная обмотка которого подключена к входу пикового детектора, соединенного выходом с входом порогового устройства, формирующего уровень напряжения для управления работой логического элемента "Нет", в свою очередь управляющего ключом, подключающим пусковую обмотку к цепи питания. Отключение пусковой обмотки происходит сразу же при выходе двигателя на номинальный рабочий режим. При продолжительном возрастании рабочего тока через время, заданное счетчиком, срываются колебания блокинг - генератора, закрываются ключи и обе обмотки обесточиваются. Отключение и подключение соответствующих обмоток производится без механических контактов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, содержащий двигатель с рабочей и пусковой обмотками, первые выводы которых соединены между собой и подключены к первой шине питания, и электронную схему управления двигателем, содержащую выпрямитель, отличающийся тем, что в электронную схему управления введены трансформатор тока, линейный преобразователь тока в напряжение, пиковый детектор, формирователь импульсов, пороговое устройство, счетчик импульсов, блокинг-генератор, логические элементы ИЛИ, НЕТ, НЕ, усилитель, первый и второй ключи с двусторонней проводимостью, при этом первичная обмотка трансформатора тока включена в цепь питания рабочей обмотки последовательно с первым ключом, управляющий вход которого соединен с выходом блокинг-генератора и информационным входом элемента НЕТ, выход которого через усилитель подключен к управляющему входу второго ключа, выводы которого через пусковую обмотку и первый ключ подсоединены к шинам питания, вторичная обмотка трансформатора тока подключена с линейному преобразователю и входам детектора, выход которого соединен с входом порогового устройства, соединенного выходом с управляющим входом элемента НЕТ и первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого через элемент НЕ соединен с выходом счетчика импульсов и с управляющим входом блокинг-генератора, а выход - с установочным входом счетчика, счетный вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, подключенного входом к выходу выпрямителя, соединенного входами с шинами питания. 2. Электропривод по п. 1, отличающийся тем, что к выходу выпрямителя подключен стабилизатор напряжения для питания узлов электронной схемы управления.