ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 1995 года по МПК H02P5/165 H02H3/08 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автоматизированном электроприводе.

Известны следящие электроприводы со схемами защиты электродвигателя от перегрузок по току. В следящих электроприводах перегрузки по току возможны при пусках и реверсах электродвигателя, при аварийном нагружении при штатной работе электродвигателя с моментами выше номинального, но менее допустимого. Допустимые перегрузки по току устанавливаются в технических условиях на электродвигатель.

В авт. св. СССР N 1262673, кл. H 02 Р 5/06, 27.11.84, в электропривод постоянного тока, содержащий электродвигатель, мостовой усилитель мощности и датчик тока, с целью повышения точности ограничения тока введены второй датчик тока, задатчик уровня ограничения тока, последовательно соединенные дифференциальный усилитель, компаратор и электронные ключи. Датчики тока соединены с входами дифференциального усилителя, второй вход компаратора соединен с задатчиком уровня ограничения тока, а схема управления мостовым усилителем мощности через электронные ключи соединена с управляющими входами силовых ключей мостового усилителя мощности. Уровень ограничения тока в следящем приводе устанавливается не менее двух-трех номинальных значений. При этом динамические характеристики следящего привода существенно не ухудшаются.

В схеме по авт.св. СССР N 1262673 токи выше номинального, но ниже установленного с помощью уровня срабатывания компаратора не ограничиваются и время работы электродвигателя с этими токами не фиксируется. При длительной работе с нагрузками, вызывающими ток в этом диапазоне, возможны перегрев электродвигателя и его выход из строя.

В авт. св. СССР N 1164862, кл. Н 03 Р 3/217, 23.11.82, а усилитель мощности введен двухпозиционный релейный элемент с зоной нечувствительности, изменяющий уровень переключения компараторов, управляющих силовыми ключами в зависимости от ЭДС электродвигателя. При этом при реверсе электродвигателя сначала осуществляется электродинамическое торможение, а затем подключается напряжение на якорь электродвигателя, изменяющее его направление движения. Однако такой способ ограничения тока возможен только при реверсе. Ограничение тока происходит на уровне пускового тока. При токах выше номинального и менее пускового ограничение отсутствует, а время работы электродвигателя при таких токах не учитывается.

Ближе всего по совокупности признаков и выполняемой функции защита электродвигателя по току выполнена по авт.св. СССР N 1317625, кл. Н 02 Р 5/06, 10.01.86. В электропривод постоянного тока, содержащий электродвигатель, мостовой ключевой усилитель мощности с источником питания, последовательно соединенные датчик тока, дифференцирующий усилитель и компаратор, к второму входу которого подключен выход задатчика уровня ограничения тока, причем выход компаратора соединен с первыми управляющими входами электронных ключей, вторые управляющие входы которых подключены к соответствующим выходам схемы управления мостовым ключевым усилителем мощности, выход которого образует вход электропривода, выходы электронных ключей подключены соответственно к управляющим входам мостового ключевого усилителя мощности, введены задатчик времени, размыкатель и последовательно соединенные сглаживающий фильтр, интегратор с самовозвратом, второй компаратор, при этом вход сглаживающего фильтра подключен к выходу первого компаратора, второй вход второго компаратора соединен с выходом задатчика времени, размыкатель включен между источником питания и датчиком тока, управляющий вход размыкателя соединен с выходом второго компаратора.

В данной схеме сигнал с датчика тока, включенный в цепь питания мостового усилителя мощности, подается на дифференциальный усилитель. При превышении сигналом с дифференциально усилителя уровня срабатывания сигнал компаратора, сглаженный фильтром, подается на вход интегратора с самовозвратом, напряжение на выходе интегратора начинает изменяться. При превышении сигналом интегратора уровня сигнала задатчика времени релейный сигнал компаратора вызывает отключение размыкателя и мостовой усилитель мощности обесточивается. В данном случае оценивается время работы электродвигателя при фиксированном токе перегрузки, т.е. при определенном уровне тока, принятом допустимым.

Время работы электродвигателя в диапазоне токов выше номинального, но ниже допустимого не оценивается. Время работы электродвигателя при токах выше допустимого не отличается от времени работы электродвигателя при токе, равном допустимому. При длительных нагрузках при токах выше номинального, но менее допустимого возможен перегрев электродвигателя.

Например, в технических условиях на электродвигатель, используемый со схемами по рассмотренным авторским свидетельствам, предъявлены требования по перегрузкам; 1,5-кратные в течение 1 мин, 3-кратные в течение 12 с, режим заторможенного якоря в течение 1 с, при этом среднее квадратичное значение тока за каждые 5 мин не должно превышать номинальной величины.

График зависимости допустимого времени работы электродвигателя от перегрузочного тока, исходя из равенства среднеквадратичного тока номинальному в течение 5 мин, и контрольные токи допустимых перегрузок (точка А соответствует 1,5-кратной перегрузке, точка В 3-кратной перегрузке, кривая 1 зависимость допустимого времени работы электродвигателя, исходя из равенства среднеквадратичного тока за 5 мин номинальному току) приведены на фиг.1.

В техническом решении по авт.св. N 1317625 из всей области перегрузочных токов реализуется только одна точка. При работе электродвигателя в составе изделия с моментами выше номинального, но менее допустимого необходимо ограничивать время его работы в зависимости от реального тока, т.е. необходимо повысить точность защиты электродвигателя.

Целью изобретения является повышение точности защиты электродвигателя от перегрузок по току.

Для достижения цели предлагается силовой следящий электропривод, содержащий блок управления, электродвигатель постоянного тока, мостовой ключевой усилитель мощности с управляющими ключами, источник питания, схему ограничения тока, включающую последовательно соединенные датчик тока и дифференциальный усилитель, а также интегратор с самовозвратом, размыкатель, включенный между источником питания и мостовым усилителем, отличающийся тем, что с целью повышения точности защиты электродвигателя от перегрузок по току, введены в схему ограничения тока интегрирующее звено, блок выделения модуля, первый триггер Шмитта с порогом переключения, пропорциональным номинальному току, второй триггер Шмитта с порогом переключения, пропорциональным первому контрольному току допустимых перегрузок, третий триггер Шмитта с порогом переключения, пропорциональным второму контрольному току допустимых перегрузок, первый ограничитель выходного напряжения по амплитуде отрицательного сигнала первого триггера, второй ограничитель выходного напряжения по амплитуде положительного сигнала второго триггера, третий ограничитель выходного напряжения по амплитуде отрицательного сигнала третьего триггера, первый сумматор, второй сумматор, задатчик опорного напряжения интегратора с самовозвратом, второй датчик тока, причем первый и второй датчики тока включены между минусом источника питания и силовыми ключами мостового ключевого усилителя мощности, второй датчик тока соединен с вторым входом дифференциального усилителя, вход интегрирующего звена соединен с выходом дифференциального усилителя, выход интегрирующего звена соединен с входом блока выделения модуля, входы первого, второго и третьего триггеров соединены с выходом блока выделения модуля, выход первого триггера соединен с входом первого ограничителя выходного сигнала по амплитуде, выход второго триггера соединен с входом второго ограничителя выходного сигнала, выход третьего триггера соединен с входом третьего ограничителя выходного сигнала по амплитуде, выход первого ограничителя соединен с первым входом сумматора, выход второго ограничителя соединен с вторым входом первого сумматора, выход блока выделения модуля соединен с первым входом второго сумматора, выход первого сумматора соединен с вторым входом второго сумматора, выход третьего ограничителя соединен с третьим входом второго сумматора, выход второго сумматора соединен с первым входом интегратора с самовозвратом, выход задатчика опорного напряжения соединен с вторым входом интегратора с самовозвратом, выход интегратора соединен с входами двух электронных ключей, выход первого электронного ключа соединен с управляющим входом размыкателя, выход второго электронного ключа соединен с вторыми входами электронных ключей усилителя мощности, первые входы которых соединен с выходом блока управления.

На фиг.2 приведена предложенная схема.

Силовой следящий электропривод содержит блок 1 управления, на вход которого поступает сигнал рассогласования. Выход блока управления соединен с первым входом электронных ключей 2-5 усилителя 31 мощности. Вторые входы электронных ключей 2-5 соединены с выходом электронного ключа 27. Выходы электронных ключей 2-5 соединены с управляющими входами силовых ключей 6-9 мостового ключевого усилителя 30 мощности, к диагонали которого подключен исполнительный электродвигатель 12. Питание мостового ключевого усилителя мощности осуществляется через размыкатель 10 от источника 11 питания.

Силовой следящий электропривод содержит датчики 13, 14 тока, выходы которых соединены с входами дифференциального усилителя 15. Выход дифференциального усилителя соединен с входом интегрирующего звена 16. Выход интегрирующего звена соединен с входом блока 17 выделения модуля. Выход блока выделения модуля соединен с входами триггеров 18, 19 и 29 Шмитта и с первым входом второго сумматора 25. Выход триггера 18 соединен с входом первого ограничителя 21 выходного напряжения по амплитуде по отрицательному сигналу, выход которого соединен с первым входом первого сумматора 24. Выход триггера 19 соединен с входом второго ограничителя 22 выходного напряжения по амплитуде по положительному сигналу. Выход триггера 20 соединен с входом третьего ограничителя 23 выходного напряжения по амплитуде по отрицательному сигналу. Выход ограничителя 22 выходного напряжения по амплитуде соединен с вторым входом первого сумматора 24. Выход первого сумматора соединен с вторым входом второго сумматора 25. Выход ограничителя 23 выходного напряжения по амплитуде соединен с третьим входом второго сумматора. Выход второго сумматора соединен с первым входом интегратора 26 с самовозвратом. На второй вход интегратора подается сигнал с задатчика 29 опорного напряжения, выход интегратора с самовозвратом соединен с входами электронных ключей 27 и 28. Выход электронного ключа 27 соединен с вторыми входами электронных ключей 2-5, а выход электронного ключа 28 с управляющим входом размыкателя 10, силовой вход которого соединен с источником питания, а силовой выход с мостовым ключевым усилителем мощности.

Силовой следящий электропривод работает следующим образом.

При токе электродвигателя менее номинального ток от источника 11 питания через размыкатель 10 протекает к мостовому ключевому усилителю 30 в соответствии с сигналом управления на входе блока 1 управления. Сигнал с датчиков 13 и 14 тока подается на дифференциальный усилитель 15, а с выхода дифференциального усилителя на вход интегрирующего звена 16, выделяющего среднее значение тока за период. С выхода интегрирующего звена сигнал подается на блок 17 выделения модуля, с выхода блока выделения модуля на первый вход второго сумматора 25 и на входы триггеров 18, 19 и 20. Сигнал с выхода блока выделения модуля при этом менее порога переключения триггеров 18-20 и менее сигнала опорного напряжения на втором входе интегратора. С выхода триггера 18 на вход ограничителя 21 амплитуды выходного напряжения подается максимальное отрицательное напряжение, которое на ограничителе уменьшается до напряжения падения на диоде. С выхода триггера 19 на вход ограничителя 22 амплитуды выходного напряжения подается при этом максимальное положительное напряжение, которое на выходе ограничителя уменьшается до напряжения падения на диоде. Сигнал с выхода первого и второго ограничителей амплитуды выходного напряжения подается на вход первого сумматора. На выходе первого сумматора при этом напряжение равно нулю, так как напряжения с ограничителей 21 и 22 противоположного звена. С выхода триггера 20 на вход ограничителя 23 амплитуды выходного напряжения подается максимальное отрицательное напряжение, которое на ограничителе уменьшается до напряжения на диоде. Сигнал с выхода блока 17 выделения модуля, с выхода первого сумматора 24 и с выхода ограничителя 23 подается соответственно на первый, второй и третий входы второго сумматора 25. С выхода второго сумматора сигнал равен сумме
U₂ U_v + U₁ + U₀₃, где U₂ напряжение на выходе второго сумматора;
U_v напряжение на выходе блока 17 выделения модуля;
U₁ напряжение на выходе первого сумматора 24,
U₀₃ напряжение на выходе ограничителя 23 амплитуды.

При токе менее номинального U₁ 0, так как выходы ограничителей суммируются с разным знаком, напряжение
U₂ I_v + U₀₃.

Напряжение на выходе второго сумматора подается на первый вход интегратора 26 с самовозвратом, при этом оно менее опорного напряжения и интегратор находится в исходном состоянии: на его выходе максимальное дополнительное напряжение. Сигнал с выхода интегратора подается на вход электронного ключа 28, который при этом не срабатывает и занимает исходное состояние. На управляющие контакты размыкателя 10 не подается сигнал на его срабатывание, и усилитель мощности подключен к источнику питания. При токе электродвигателя I_д, находящегося в пределах
I_н < U_д < I₁, где I_н номинальное значение тока электродвигателя;
I₁ первый контрольный ток допустимых перегрузок, обрабатывает триггер 18, на выходе триггера появляется максимальное положительное напряжение, которое без изменения в ограничителе 21 подается на вход первого сумматора и далее на вход второго сумматора.

Сигнал с выхода второго сумматора превышает опорное напряжение интегратора и он начинает интегрировать. Время интегрирования определяется временем изменения напряжения на выходе интегратора до уровня срабатывания электронного ключа: от максимального положительного до половины максимального отрицательного напряжения и зависит от величины тока. По достижении уровня срабатывания электронный ключ подает сигнал на управляющий вход размыкателя 10, и он отключает усилитель мощности от источника питания. Время срабатывания защиты в зависимости от тока нагрузки для I₁ 1,5 I_н и I₂ 3 I_н приведено на фиг.1. (кривая 2), где I₂ второй контрольный ток допустимых перегрузок.

При токе электродвигателя I_г > I_д > I₁ срабатывают триггеры 18 и 19. Максимальное положительное напряжение с ограничителя 21 взаимно компенсируется максимальным отрицательным напряжением с последовательной цепочки: триггер 19, ограничитель 22 амплитуды. В этом случае на входе второго сумматора напряжение
U_г U_v + U₀₃ вызывает более быстрое интегрирование интегратора, срабатывание электронного ключа и отключение размыкателя. Время срабатывания защиты в этом диапазоне изображено на фиг.1, кривая 2.

При токе электродвигателя U_д > I_г срабатывают триггеры 18-20. Суммарный сигнал ограничителей 21 и 22 на выходе первого сумматора при этом равен нулю. Напряжение с выхода триггера 20 не изменяется ограничителем 23 уровня и подается на третий вход второго сумматора. Hапряжение на входе второго сумматора определяется напряжением с блока выделения модуля и ограничителя 23. Напряжение с выхода второго сумматора вызывает еще более быстрое изменение напряжения на выходе интегратора, срабатывание электронного ключа и размыкателя 10 и отключение усилителя мощности от источника питания. Зависимость времени срабатывания защиты от тока приведена на фиг.1, кривая 2. При этом электронный ключ 27 отключает управляющие ключи 2-5 усилителя мощности и ограничивает ток на уровня I_г.

Таким образом, схема обеспечивает защиту электродвигателя во всем диапазоне существующих токов электродвигателя выше номинального и автоматическое изменение времени срабатывания защиты в зависимости от тока.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить его соответствие критерию "новизна".

При изучении других технических решений в данной области технические признаки, отличающие изобретение от прототипа, не выявлены, поэтому они обеспечивают заявленному техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

Таким образом, повышение точности защиты электродвигателя достигается за счет оценки времени работы электродвигателя во всем диапазоне токов, превышающих номинальный, и отключения электродвигателя при превышении допустимых режимов, оговоренных в технических условиях.

Использование: в электроприводах постоянного тока для защиты от перегрузок по току. Сущность: для повышения точности защиты электродвигателя от перегрузки по току происходит оценка времени работы электродвигателя во всем диапазоне токов, превышающих номинальный, и отключение электродвигателя при превышении допустимых режимов, оговоренных в технических условиях. В схему ограничения тока введено интегрирующее звено, три триггера Шмитта с различными порогами срабатывания, три ограничителя амплитуды и два сумматора. 2 ил.

ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащий блок управления, электродвигатель постоянного тока, подключенный к выходу мостового ключевого усилителя мощности с управляющими ключами, источник питания, схему ограничения тока, включающую последовательно соединенные датчик тока и дифференциальный усилитель, а также интегратор с самовозвратом, размыкатель, включенный между источником питания и мостовым ключевым усилителем мощности, отличающийся тем, что введены в схему ограничения тока интегрирующее звено, блок выделения модуля, первый триггер Шмитта с порогом переключения, пропорциональным номинальному току, второй триггер Шмитта с порогом переключения, пропорциональным второму контрольному току допустимых перегрузок, первый ограничитель выходного напряжения по амплитуде отрицательного сигнала первого триггера (первый ограничитель) второй ограничитель выходного напряжения по амплитуде положительного сигнала второго триггера (второй ограничитель), третий ограничитель выходного напряжения по амплитуде отрицательного сигнала третьего триггера (третий ограничитель), первый сумматор, второй сумматор, задатчик опорного напряжения интегратора с самовозвратом, второй датчик тока, причем первый и второй датчики тока включены между минусом источника питания и силовыми ключами мостового ключевого усилителя мощности, второй датчик тока соединен с вторым входом дифференциального усилителя, вход интегрирующего звена соединен с выходом дифференциального усилителя, выход интегрирующего звена соединен с входом блока выделения модуля, входы первого, второго и третьего триггеров соединены с выходом блока выделения модуля, выход первого триггера соединен с входом первого ограничителя, выход второго триггера соединен с входом второго ограничителя, выход третьего триггера соединен с входом третьего ограничителя, выход первого ограничителя соединен с первым входом сумматора, выход второго ограничителя соединен с вторым входом первого сумматора, выход блока выделения модуля соединен с первым входом второго сумматора, выход первого сумматора соединен с вторым входом второго сумматора, выход третьего ограничителя соединен с третьим входом второго сумматора, выход второго сумматора соединен с первым входом интегратора с самовозвратом, выход задатчика опорного напряжения соединен с вторым входом интегратора с самовозвратом, выход интегратора соединен с входами двух электронных ключей, выход первого электронного ключа соединен с управляющим входом размыкателя, выход второго электронного ключа соединен с вторыми входами электронных ключей мостового ключевого усилителя мощности, первые входы которых соединены с выходом блока управления.