ЭЛЕКТРОПРИВОД Российский патент 1995 года по МПК H02P5/06 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах станков.

Известен электропривод постоянного тока [1]
Недостатком данного электропривода является невозможность контроля за уравнительным током, малое быстродействие, наличие импульсных трансформаторов для управления тиристорами и малый диапазон регулирования.

Известен электропривод постоянного тока с совместным управлением, состоящий из силового согласующего трансформатора, двух силовых дросселей, электродвигателя с встроенным тахогенератором, силового преобразователя, состоящего из катодной и анодной групп, тиристоров, блока питания, блока управления (система импульсно-фазового управления СИФУ), пропорционально-интегральных (ПИ) регуляторов скорости и тока, датчик тока, построенного на магнитопроводах, усилителя-сумматора на выходе магнитопроводов, импульсных трансформаторов, по одному на каждый тиристор, фазирующего трансформатора. Блок управления состоит из шести каналов управления тиристорами. Каждый канал управляет одним тиристором в катодной и одним тиристором в анодной гpуппах силового преобразователя и состоит из фазного компаратора, дифференцирующей цепи, состоящей из конденсатора и сопротивления, трех транзисторов четырех диодов и конденсатора [2]
Недостатком данного электропривода является невозможность контроля за уравнительным током, малое быстродействие (полоса пропускания 18 Гц), наличие импульсных трансформаторов, большое количество транзисторов, диодов и конденсаторов в блоке управления, большой дрейф датчика тока (до 1 В при 20^оС и 3-4 В при 60^оС).

Изобретение позволяет следить за величиной уравнительного тока и выдавать сигнал о превышении максимальной величины, повысить быстродействие полоса пропускания 45 Гц, использовать оптопары вместо импульсных трансформаторов, используя один общий источник питания, исключить транзисторы, конденсаторы и часть диодов в выходной части блока управления, уменьшить дрейф датчика тока до 30 мВ при 60^оС.

Предлагаемое техническое решение осуществится, если в электроприводе, состоящем из электродвигателя, силового преобразователя, двух силовых дросселей, блока управления, ПП регуляторов скорости и тока, датчика скорости и тока, датчик тока построить на двух шунтах и высокочастотном блоке гальванической развязки и ввести второй усилитель-сумматор, компаратор, два диода и блок коммутации, причем блок гальванической развязки состоит из высокочастотного генератора, двух высокочастотных трансформаторов, четырех ключей, шести сопротивлений, двух конденсаторов и выпрямителя, а блок коммутации состоит из четырех групп оптопар и четырех групп диодов, причем вторая группа оптопар и первая и вторая группа диодов состоят соответственно из одной оптопары и одного диода. В блоке управления, состоящем из фазных компараторов, дифференцирующих цепей и диодов, выходы компараторов, соответственно через дифференцирующие цепи и диоды надо подключить, к блоку коммутации, к одним выводам первичных цепей соответственно первой и третьей групп оптопар, включенных соответственно в прямом и обратном направлениях, другие выводы первичных цепей первой группы оптопар по схеме ИЛИ объединить и через первичную цепь, включенную в прямом направлении, оптопары второй группы подключить к нулевой шине, первичные цепи третьей и четвертой групп оптопар, соединенные последовательно в обратном направлении, по схеме ИЛИ объединить и подключить также к нулевой шине. Шунты включить в силовую цепь, а напряжение с них подать на блок гальванической развязки. Первый и второй выходы блока гальванической развязки подключить к первому и второму сумматорам, выход второго сумматора подключить к входу компаратора, напряжение третьего выхода блока гальванической развязки подать через вторичные цепи оптопар и диоды на управляющий электрод и катод каждого тиристора.

На фиг. 1 и 2 приведены принципиальные электрические схемы предлагаемого электропривода.

Электропривод содержит электродвигатель 1, силовой преобразователь 2, два дросселя 3 и 4, два шунта 5 и 6, регуляторы 7 скорости и тока 8, блок 9 управления, блок 10 коммутации, высокочастотный блок 11 гальванической развязки, первый 12 и второй 13 усилители-сумматоры, компаратор 14, два диода 15 и 16, тахогенератор 17, причем блок управления состоит из фазных компараторов 18 (1.М), дифференцирующих цепей 19 (1.М), диодных групп 20 (1.М), блок коммутации состоит из групп 22-25 оптопар и групп 26-29 диодов, где группы 23 и 26, 27 состоят соответственно из одной оптопары и одного диода, высокочастотный блок гальванической развязки состоит из генератора 30 прямоугольных импульсов, первого высокочастотного трансформатора 31, который имеет пять вторичных обмоток, второго высокочастотного трансформатора 32, который имеет четыре вторичные обмотки, четырех ключей 33-36, шести резисторов 37-42, двух конденсаторов 43 и 44 и выпрямителя 45, который установлен на выходе пятой вторичной обмотки трансформатора 31.

К одним силовым концам первого 5 и второго 6 шунтов соответственно подключены второй и третий выходы силового преобразователя 2, вторые силовые концы шунтов 5 и 6 подключены соответственно к дросселям 3 и 4. Вторые силовые концы дросселей 3 и 4 объединены и подключены к одному якорному концу электродвигателя 1. Второй якорный конец которого подключен к первому силовому выходу преобразователя 2. Силовой преобразователь 2 имеет три силовых питающих входа, на которые подается напряжение сети. На 2m управляющих входа преобразователя 2 подаются 2m управляющих выхода блока 10. На вход блока 10 подаются сигналы с выхода блока 9, а на вход блока 9 подается сигнал с выхода регулятора 8. На первый и второй инверсные входы регулятора 8 подаются соответственно выходной сигнал с регулятора 7 скорости и сигнал отрицательной обратной связи по току с усилителя 12. На первый и второй неинвертирующие входы регулятора 7 скорости поступают соответственно сигнал задания и сигнал отрицательной обратной связи по скорости с тахогенератора 17. Сигнальные провода первого 5 и второго 6 шунтов соединены соответственно с первым и вторым входами блока 11. Первый и второй выходы блока 11 соединены соответственно с первыми инверсными входами усилителей 12 и 13 и вторым инверсным входом усилителя 12 и неинверсным входом усилителя 13. Выход усилителя 12 соединен с анодом 15 и катодом 16. Катод 15 и анод 16 соответственно соединены с третьим инверсным и четвертым неинверсным входами усилителя 13. Сигналы на первом и втором выходах блока 11 разнополярны и постоянны по знаку. На первом выходе блока 11 отрицательный, на втором выходе положительный. Выход усилителя 13 соединен с входом компаратора 14 и является сигналом, пропорциональным уравнительному току, и может быть использован в электроприводе с совместным несогласованным управлением выпрямительной и инверторной группами тиристоров. Сигнал логической единицы на выходе компаратора 14 соответствует максимальному значению уравнительного тока. В выходные цепи блока 9 управления каждым тиристором включены первичные цепи оптопар. Выходы высокочастотного генератора 30 подключены к первичной обмотке трансформатора 31. Первая, вторая, третья и четвертая вторичные обмотки трансформатора 31 подключены к управляющим входам соответственно ключей 33, 34, 35 и 36, причем первая и третья обмотки включены в противофазе второй и четвертой обмоткам. Первый и второй входы блока 11 зашунтированы соответственно сопротивлениями 37 и 38. Одни концы первого и второго входов блока 11 подключены соответственно через ключи 33 и 34 к началам первой и второй обмоток трансформатора 32. Вторые концы первого и второго входов блока 11 подключены соответственно к концам первой, второй обмоток трансформатора 32. Третья и четвертая обмотки трансформатора 32 зашунтированы сопротивлениями 39 и 40. Начало третьей и четвертой обмоток соответственно через ключи 35 и 36 подключены к одним концам сопротивлений 41 и 42. Вторые концы сопротивлений 41 и 42 соответственно являются первым и вторым выходами блока 11. Концы третьей и четвертой обмоток объединены и подключены к нулевой шине. Между нулевой шиной и выходами блока 11 включены конденсаторы 43 и 44. Пятая вторичная обмотка трансформатора 31 подключена к выпрямителю 45. Два выходных конца этого выпрямителя являются соответственно плюсовой и отрицательной шинами третьего выхода блока 11. Выходное напряжение с регулятора 8 тока является управляющим напряжением для блока 9 управления. В блоке 9 на входе компаратора 18 происходит сравнение этого напряжения с фазирующим напряжением (вх1. вхm). Количество фазирующих компараторов равно количеству фаз силового напряжения, т. е. m. В силовом преобразователе существуют анодные и катодные группы тиристоров-вентилей. В данном случае рассматривается электропривод с совместным управлением, поэтому одна группа, допустим анодная, служит для управления двигателем вперед, а другая группа, катодная, для управления назад. Следовательно, электропривод реверсивный и анодная и катодная группы работают соответственно как выпрямительная и инверторная или как инверторная и выпрямительная. Тиристоры одной фазы в анодной и катодной группах работают в противофазе, а угол управления при напряжении задания, равном нулю, равен α_вып α_инв 90^о. На входе каждого компаратора фаз синусоидальное напряжение соответствующей фазы и при U_зад 0 на выходе компараторов напряжение прямоугольной формы со скважностью 2 и амплиту- дой напряжения изменяющейся от +U_пит до -U_пит. Фронты прямоугольного напряжения дифференцируются цепями 19 (1.m) и с выходов этих элементов через диоды 20 и 21 подаются на первичные цепи оптопар, причем положительные импульсы подаются на вход группы 22 оптопар, а отрицательные на входы групп 24 оптопар, поэтому диоды из 20 включены в прямом, а диоды из 21 в обратном направлениях, и служат для защиты первичных цепей оптопар. Так как катоды у катодной группы тиристоров общие, то в группе 23 оптопар установлен один оптрон. Первичные цепи оптопары группы 22 соединены по схеме ИЛИ и подключены к одному выводу первичной цепи группы 23 оптопары. Другой конец группы 23 подключен к нулевой шине источника вспомогательного питания. Из схемы видно, что каждый оптрон из группы 22 включается один раз за период, а оптрон 23 в m раз чаще.

Электропривод работает следующим образом.

В исходном состоянии, когда на входе задания сигнал равен нулю, на выходе регуляторов скорости 7 и тока 8 напряжение равно нулю. На выходе блока 9 формируются импульсы, которые, проходя через первичные цепи оптопар, открывают вторичные цепи соответствующих оптопар и к соответствующим управляющим электродам тиристоров прикладывается положительное напряжение, открывая тиристоры. Напряжение выпрямительной и инверторной групп равны и противоположны, поэтому среднее значение напряжения на электродвигателе равно нулю и электродвигатель стоит, а от катодной к анодной группе тиристоров, через дроссели, протекает уравнительный ток.

При подаче задающего напряжения одной полярности появляется напряжение соответствующей полярности на выходах регуляторов 7 и 8. При этом к электродвигателю прикладывается среднее напряжение, отличное от нуля, и электродвигатель разгоняется в соответствующую сторону. Напряжение с шунтов 5 и 6 подаются в блок 11. Напряжение с первого и второго выходов блока 11 подаются на вход усилителя 12. С выхода усилителя 12 напряжение, пропорциональное якорному току, подается на вход регулятора 8, тем самым образуется обратная связь по току. С тахогенератора 17 поступает сигнал на вход регулятора 7 это обратная связь по скорости. Так как по шунтам протекает ток I_ш1 I_я + I_ур и I_ш2 I_ур, то на усилителе 13 выделяется сигнал, пропорциональный уравнительному току. Этот сигнал подается в блок 9. При превышении допустимого уровня уравнительного тока срабатывает компаратор 14 и на его выходе появляется сигнал, соответствующий логической единице. Этот сигнал используется для защиты электропривода.

При задании напряжения другой полярности на выходах регуляторов и усилителей напряжение также другой полярности и электродвигатель вращается в противоположную сторону.

При попытке в прототипе перейти к более высоким точкам настройки, т.е. к большей полосе пропускания путем установки новых RC-цепочек в регуляторах 7 и 8, номиналы которых рассчитаны по точке 2 для электроприводов подач на станках с ЧПУ (А 0,823, В 0,2, С 0,7) приводила к автоколебаниям в электроприводе. В данном электроприводе получена полоса замкнутого скоростного контура 45 Гц с рассчитанными ранее RC-цепочками в регуляторах 7 и 8.

Кроме того, учитывая, что сигналы с первого и второго выходов блока 11 приходят на инверсные входы усилителя 12, а также использование двух сигналов с шунтов 5 и 6 и использование данного блока гальванической развязки, в предлагаемом электроприводе, дрейф нуля датчика тока на выходе усилителя 12 составил 30 мВ при 60^оС. Дрейф датчика тока в заявленном электроприводе в 4-5 меньше, чем дрейф этого датчика тока.

Использование: в электроприводах для станков с ЧПУ. Сущность: позволяет повысить быстродействие, точность, технологичность и надежность за счет применения в электроприводе датчика тока, построенного на двух шунтах и высокочастотном блоке гальванической развязки и введения в схему второго усилителя-сумматора, компаратора, двух диодов и блока коммутации. Такое схемное решение дает возможность максимально упростить схему управления электроприводом. 2 ил.

ЭЛЕКТРОПРИВОД постоянного тока с совместным управлением, содержащий электродвигатель, один вывод якорной обмотки которого подключен к одному выходу силового преобразователя, а другой к объединенным выводам двух дросселей, вторые выводы дросселей через токовые элементы датчика тока соединены с вторым и третьим выходами силового преобразователя, последовательно соединенные пропорционально-интегральные регуляторы скорости с блоком задания и тока, блок управления, один усилитель-сумматор, выход регулятора тока соединен с входом блока управления, выход усилителя-сумматора соединен с инвертирующим входом регулятора тока, тахогенератор соединен с вторым входом регулятора скорости, блок управления имеет фазирующие входы и состоит из фазных компараторов, дифференцирующих цепей и диодов, выходы фазных компараторов соединены с одними выводами соответствующих дифференцирующих цепей, отличающийся тем, что датчик тока построен на двух шунтах и высокочастотном блоке гальванической развязки и введены второй усилитель-сумматор, компаратор, блок коммутации, причем блок коммутации состоит из четырех групп оптопар и четырех групп диодов, вторая группа оптопар и первая и вторая группы диодов состоят соответственно из одной оптопары и одного диода, высокочастотный блок гальванической развязки состоит из высокочастотного генератора, первого трансформатора, который имеет пять вторичных обмоток, второго трансформатора, который имеет четыре обмотки, четырех ключей, шести резисторов, двух конденсаторов и выпрямителя, который установлен на выходе пятой вторичной обмотки первого трансформатора, и два диода, установленные на выходе первого усилителя-сумматора, вторые выводы дифференцирующих цепей через диоды подключены к одним выводам первичных цепей соответственно первой и третьей групп оптопар, включенные соответственно в прямом и обратном направлениях, другие выводы первичных цепей первой группы оптопар по схеме ИЛИ объединены и через первичную цепь, включенную в прямом направлении оптопары второй группы, подключены к нулевой шине, первичные цепи третьей и четвертой групп оптопар, соединенные соответственно последовательно в обратном направлении, по схеме ИЛИ объединены и вторые концы четвертой группы оптопар подключены также к нулевой шине, управляющие электроды катодной группы вентилей силового преобразователя через вторичные цепи соответствующих оптопар первой группы объединены и соединены с катодом диода первой группы, анод этого диода соединен с положительным выводом третьего выхода высокочастотного блока гальванической развязки, катоды катодной группы вентилей силового преобразователя через диод второй группы и вторичную цепь оптопары второй группы, включенных в прямом направлении, соединены с отрицательным выводом третьего выхода высокочастотного блока гальванической развязки, управляющие электроды и катоды каждого вентиля анодной группой силового преобразователя соответственно через диоды и оптопары третьей и четвертых групп, включенных соответственно в обратном и прямом направлениях, подключены соответственно к положительному и отрицательному выводам третьего выхода блока гальванической развязки, выходы высокочастотного генератора подключены к первичной обмотке первого трансформатора, первая, вторая, третья и четвертая вторичные обмотки которого подключены к управляющим входам соответствующих ключей, первая и третья обмотки указанного трансформатора включены в противофазе второй и четвертой обмоткам, первый и второй входы высокочастотного блока гальванической развязки зашунтированы соответственно первым и вторым резисторами, одни выводы входов указанного блока подключены соответственно через первый и второй ключи к началам, а вторые выводы к концам первой и второй обмоток второго трансформатора, третья и четвертая обмотки которого зашунтированы соответственно третьим и четвертым резисторами, начало третьей и четвертой обмоток через третий и четвертый ключи подключены к одним выводам пятого и шестого резисторов, вторые выводы которых соответственно являются выходами высокочастотного блока гальванической развязки, другие выводы третьей и четвертой обмоток объединены и подключены к нулевой шине, между нулевой шиной и выходами включены конденсаторы, пятая вторичная обмотка первого трансформатора подключена к выпрямителю, два выходных вывода этого выпрямителя являются соответственно положительным и отрицательным выводами третьего выхода высокочастотного блока гальванической развязки, сигнальные выводы шунтов соединены с входами высокочастотного блока гальванической развязки, первый отрицательный и второй положительный выходы которого соединены соответственно с инвертирующими входами и инвертирующим и неинвертирующим входами первого и второго усилителей-сумматоров, выход первого усилителя-сумматора соединен с анодом первого и катодом второго диодов, катод первого и анод второго диодов соединены соответственно с третьим инвертирующим и четвертым неинвертирующим входами второго усилителя-сумматора, выход которого соединен с блоком управления и входом компаратора, выход компаратора предназначен для подключения к схеме защиты.