СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H02P7/00 H02P19/00 

Изобретение относится к области управляемого электропривода, в том числе с ограниченным углом поворота (электромеханические преобразователи). Оно может быть использовано в тех областях техники, где используется управляемый электропривод, преимущественно в тех случаях, когда исполнительный механизм с двигателем удален от блока управления с усилителем мощности.

Известен способ управления электроприводом ([1] с. 10-12), заключающийся в подаче на контакты двигателя напряжения с линейного усилителя мощности, запитываемого от источника питания (сети). Усилитель мощности служит для усиления входного управляющего сигнала. При уменьшении напряжения питания двигатель не может реализовать свои потенциальные динамические возможности (снижаются максимальные момент и скорость), что приводит к увеличению времени переходных процессов. При росте напряжения питания выше номинального двигатель может выйти из строя.

В [2] (с. 266, рис.8.15) описана система, в которой сигнал разности эталонного значения и напряжения обратной связи, замеренного на контактах двигателя, подается на вход управления усилителя мощности, выход которого подключен к контактам электродвигателя. Питание усилителя мощности осуществляется от сети, напряжение в которой равно номинальному (V_пит). Зависимость установившейся скорости вращения вала двигателя от сигнала управления для этого привода приведена в системе уравнений (8.19) [2]
U_у=U_з k_уU_д; (1)
E_п=k_nU_у; (2)

где U_з задаваемое значение сигнала управления;
U_д напряжение на зажимах двигателя;
k_у коэффициент обратной связи по напряжению;
U_у напряжение управления усилителем;
E_п напряжение на выходе усилителя;
k_п коэффициент передачи усилителя;
w угловая скорость двигателя;
F магнитный поток двигателя;
k коэффициент пропорциональности по потоку;
I_я ток якоря;
R_д сопротивление двигателя;
R_п сопротивление подводящих цепей.

В этой системе уравнений не учтено, что напряжение на выходе усилителя мощности не может быть больше напряжения питания. Из системы уравнений (1) - (3) с учетом этого ограничения следует:

где Е_пmax максимальная амплитуда напряжения на выходе усилителя мощности;
SIGN функция сигнатуры.

Даже допуская, что Е_пmax= U_пит, из (4) видно, что максимум скорости в этом приводе не может быть достигнут вследствие падения напряжения на сопротивлении усилителя мощности и проводов R_п. То есть реализация такого способа управления не обеспечивает поддержания на контактах двигателя максимально допустимого значения напряжения для поддержания максимально возможных динамических характеристик привода.

Более того, в качестве усилителя мощности в противопоставляемой системе используется тиристорный преобразователь, то есть импульсный усилитель. Для линейного усилителя мощности, если не учитывать динамические процессы, протекающие в электронных элементах, можно считать, что напряжение на выходе равно:
U_вых=U_вхk_уU_пит; (5)
где U_вых напряжение на выходе;
U_вх сигнал управления на входе;
k_y коэффициент передачи усилителя;
U_пит напряжение питания усилителя.

Для импульсного усилителя мощности справедлива несколько иная зависимость величины выходного напряжения от входного:

где f логическая функция переключения.

При сравнении зависимостей (5) и (6) видно, что для линейного усилителя амплитуда выходного напряжения зависит от уровня входного сигнала и уровня напряжения питания, а для импульсного только от уровня напряжения питания. Поскольку, как указывалось выше, для [2] амплитуда напряжения питания постоянна, даже, если установить напряжение питания усилителя на уровне, обеспечивающем максимально допустимое напряжение на контактах двигателя при максимальном значении сигнала управления, то при меньших сигналах управления и соответственно токах якоря амплитуда напряжения на контактах повысится выше предельного значения из-за меньшего падения напряжения в цепи, что может привести к выходу двигателя из строя, например, вследствие нарушения сопротивления изоляции.

Известен также способ управления электроприводом, описанный в ([3] с. 479-498). Этот способ заключается в подаче на контакты двигателя напряжений с импульсного усилителя мощности, запитываемого от блока питания (сети). Использование в импульсном усилителе мощности блоков токоограничения предотвращает выход двигателя из строя, но при этом ограничивается также и максимальный развиваемый момент. При снижении же напряжения питания уменьшается амплитуда импульсов и, как следствие, снижаются динамические возможности электропривода. Кроме того, имеет место падение напряжения на полупроводниковых ключах (1-2 В на транзисторе или тиристоре) усилителя мощности и в проводах, соединяющих усилитель мощности и двигатель, а так как номинальное значение напряжения электродвигателя соответствует номинальному напряжению сети, даже при номинальном напряжении в сети двигатель не развивает номинальной мощности, и, следовательно, снижаются динамические возможности электропривода. Простое увеличение напряжения источника питания не может помочь, так как падение напряжения тем больше, чем больше ток, поэтому, если напряжение с источника питания рассчитано в предложении максимума тока при предельно допустимом напряжении на двигателе, в режимах, где требуется меньший ток, на контактах двигателя напряжение станет выше предельного, что недопустимо.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ, описанный в [4]
В описанном в указанном изобретении способе для управления электроприводом выполняются следующие действия. На электродвигатель подается напряжение с импульсного усилителя мощности (инвертора), запитанного от управляемого источника питания. На выходе импульсного усилителя мощности измеряется напряжение, пропорциональное амплитуде эквивалентного синусоидального сигнала (т. е. формируется сигнал, пропорциональный его эффективному значению, см. например, [(5, с. 475-484]), сглаживается и сравнивается с эталонным значением. В качестве эталонного значения при этом используется зависимость для амплитудно-частотного управления асинхронным двигателем ([3, с. 258, рис. 6.12] [6, с. 14-15, 35-37, рис. 2-1, 2-21]). Сигнал, полученный в результате сравнения, используется для управления источником питания. Однако между выходами инвертора и контактами двигателя находится линия передачи энергии, и из-за потерь в линии напряжение на контактах двигателя не равно напряжению на контактах инвертора. В результате чего динамические возможности привода реализуются не полностью. Указанное падение напряжения в проводах не может быть компенсировано за счет внесения поправки в эталонное значение, так как падение зависит не только от величины подаваемого на двигатель напряжения, но и от величины протекающего по цепи тока, который в свою очередь зависит от нагрузки и режима работы двигателя.

Целью изобретения является повышение динамических возможностей электропривода без снижения его надежности, а также сокращение массы проводов, соединяющих электродвигатель с усилителем мощности, за счет уменьшения их сечения и роста плотности тока.

Для достижения этого результата способ управления электроприводом, заключающийся в подаче с запитываемого от регулируемого источника питания импульсного усилителя мощности напряжения на электродвигатель, и управлении регулируемым источником питания по результатам сравнения выходного сглаженного напряжения с эталонным значением, имеет то отличие, что в качестве выходного измеряется амплитуда напряжения на зажимах двигателя.

Таким образом, для получения положительного эффекта производится следующая совокупность операций, направленная на поддержание максимально допустимой амплитуды напряжения на зажимах электродвигателя. Формируется замкнутый контур с отрицательной обратной связью по амплитуде напряжения электродвигателя для управления источником, питающим усилитель мощности электродвигателя. При этом для уменьшения влияния на процесс регулирования шумовых помех, которые могут быть вызваны, например, искрением щеток двигателя, электромагнитными наводками и т.п. измеряемый сигнал амплитуды напряжения до сравнивания его с эталонным значением сглаживается.

Нужно отметить, что указанный способ может быть реализован только при использовании импульсного усилителя мощности. Это следует из зависимостей (5) и (6). Из них видно, что для линейного усилителя амплитуда выходного напряжения зависит от уровня входного сигнала и уровня напряжения питания, а для импульсного только от уровня напряжения питания. То есть, измеряя амплитуду напряжения на контактах электродвигателя, подключенного к выходу линейного усилителя мощности, невозможно определить, вызвано ли ее изменение изменением условий эксплуатации либо изменением уровня входного сигнала. В случае использования импульсного усилителя мощности изменение амплитуды напряжения на контактах двигателя не зависит от величины входного сигнала и поэтому может быть использовано для управления регулируемым источником питания.

Поддержка амплитуды напряжения на зажимах (контактах) электродвигателя на максимально допустимом уровне, задаваемом эталонным значением, обеспечивает не только реализацию максимальных динамических возможностей электродвигателя, но и исключает возможность выхода напряжения, подаваемого на двигатель, за допустимое для него значение. В случаях, когда снижение массы или сечения проводов, соединяющих усилитель мощности с электродвигателем, является более критичным, чем увеличение потерь в них, применение заявляемого способа управления электроприводом позволяет это обеспечить за счет использования проводов с сечением, соответствующим максимально допустимой для них плотности тока, т.к. несмотря на увеличивающееся падение напряжения в проводах, амплитуда напряжения на двигателе останется практически неизменной.

Использование данного способа управления позволяет исключить возможность превышения амплитудой напряжения на двигателе допустимого значения также в режимах торможения и реверса, когда противоЭДС суммируется с подводным напряжением, так что их сумма может превысить напряжение питания. Наиболее наглядно эффект противоЭДС виден на примере двигателя постоянного тока при реверсе. В книге [2] на с. 57 приведена зависимость для напряжения на контактах двигателя постоянного тока: U_д= I_я(R_я+R_доп)+kΦω (7)
Из нее следует, что при реверсе из-за существенно более медленного изменения скорости вращения по сравнению со скоростью изменения направления тока, напряжение на контактах двигателя по амплитуде будет больше напряжения на контактах преобразователя на величину kΦω.
Предлагаемый способ за счет снижения напряжения питания на импульсном усилителе мощности позволяет уменьшить амплитуду напряжения на контактах двигателя до допустимого значения.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает не только обеспечение максимально возможных динамических характеристик привода за счет поддержания высокого уровня напряжения на контактах двигателя, но и позволяет при этом не ухудшить параметров надежности двигателя, а также, при необходимости, снизить массу и сечение проводов. Это обусловлено тем, что во всех режимах работы амплитуда напряжения на двигателе не превышает допустимого уровня, задаваемого генератором эталонного сигнала, в том числе как в режиме холостого хода, так и реверса, а также работы с максимальной нагрузкой (при максимуме тока якоря). Причем уровень напряжения регулируется совершенно независимо от регулирования уровня тока или скорости двигателя, либо отсутствия такого регулирования, так как для управления последними используется эффективное значение напряжения с усилителя мощности либо медленно меняющееся напряжение постоянного тока (см. например, [2, с. 247, 266-267]), для регулирования напряжения в предлагаемой системе амплитудное значение.

Были рассмотрены устройства-аналоги, схемное исполнение которых может быть взято за основу для реализации описанного способа.

В [7] описан электропривод, содержащий последовательно соединенные сетевой источник питания постоянного тока, преобразователь постоянного тока в переменный и синхронный двигатель, а также переключатель, логическое устройство, датчики тока и напряжения в цепи преобразователь-двигатель. Логическое устройство срабатывает при превышении величины тока в цепи номинальной. По команде логического устройства переключатель соединяет вход управления преобразователем с датчиком тока, сигнал с которого используется для предотвращения перегрузки по току. В номинальном режиме для поддержания синхронного значения скорости управление преобразователем производится по сигналу с датчика напряжения. Низкий КПД и большие габариты преобразователя постоянного тока в переменный синусоидальной формы, в котором используется линейный усилитель мощности и громоздкие сетевые фильтры, являются недостатком этого привода.

В [8] описан электропривод, двигатель которого соединен с двумя преобразователями, включающими в себя усилители мощности. Один из них - импульсный, формирующий напряжение прямоугольной формы, а другой линейный, с синусоидальным напряжением на выходе. Для формирования синусоидального напряжения выходное напряжение с линейного преобразователя сравнивается в блоке сравнения с эталонным синусоидальным. Фактически имеет место комбинация импульсного (см. [3, с. 479-498]) и линейного (см. [7]) способов управления с сохранением присущих каждому из них недостатков.

Известна также система, содержащая последовательно соединенные подключенный к сети стабилизированный источник питания и нагрузку, причем источник питания отключается от сети при выходе напряжения в ней за допустимые значения (см. [9]). В связи с тем, что в этой системе не учитывается величина падения напряжения между нагрузкой и стабилизатором, при использовании в качестве нагрузки электродвигателя он не сможет реализовать свои динамические возможности.

В [10] описана система, которая содержит блок сравнения, первый вход которого соединен с источником сигнала управления, а на второй подается сигнал с контактов двигателя, пропорциональный напряжению на них. Последовательно с блоком сравнения соединены интегратор, блок управления импульсным усилителем мощности, импульсный усилитель мощности и электродвигатель. Импульсный усилитель мощности запитан от сети или другого источника питания. Динамические характеристики электродвигателя не могут быть использованы полностью, если в результате падения напряжения в сети на ключах усилителя мощности и в проводах напряжение на двигателе станет меньше максимально допустимого.

Наиболее близким е предлагаемому является устройство для управления электроприводом [4] В нем реализуется амплитудно-частотное управление асинхронным электродвигателем. Как указывалось выше, для этого необходимо поддерживать определенное соотношение между частотой и эффективным значением напряжения на выходе инвертора. В этом электроприводе имеются последовательно соединенные управляемый выпрямитель (регулируемый источник питания), тиристорный инвертор (импульсный усилитель мощности) и асинхронный электродвигатель. Управляемый выпрямитель регулируется по сигналу, формируемому путем сравнения сигнала с функционального преобразователя (генератора эталонного сигнала) с сигналом, характеризующим эффективное значение напряжения на выходе инвертора. Учитывая, что инвертор является импульсным усилителем мощности, для получения сигнала, пропорционального эффективному значению напряжения, необходимо сглаживать измеренное значение. В книге [6, с. 31] указывается, что в этой связи целесообразно в цепи обратной связи в качестве датчика напряжения устанавливать выпрямитель, так как напряжение на его выходе более сглаженное, что и реализовано в [4] Для устранения высокочастотных гармоник из выпрямленного сигнала и формирования напряжения, пропорционального эффективному значению напряжения на выходе инвертора (а не амплитудному, среднему или текущему, например), используется соответствующий сглаживающий фильтр.

Между выходами инвертора и контактами двигателя находится линия передачи энергии, и из-за потерь в линии напряжение на контактах двигателя не равно напряжению на контактах инвертора. В результате чего динамические возможности привода реализуются не полностью. Указанное падение напряжения в проводах не может быть компенсировано за счет внесения поправки в эталонное значение, так как оно зависит не только от величины подаваемого на двигатель напряжения, но и от величины протекающего по цепи тока, который в свою очередь зависит от нагрузки и режима работы двигателя.

Для реализации способа, позволяющего расширить динамические возможности в электроприводе без снижения его надежности, а также уменьшить массу и сечение проводов, соединяющих импульсный усилитель мощности с электродвигателем, предлагается следующее: в устройстве управления электроприводом, содержащем последовательно соединенные регулируемый источник питания, импульсный усилитель модности, электродвигатель, последовательно соединенные датчик напряжения и сглаживающий фильтр, подключенный к первому входу блока сравнения, а также генератор эталонного сигнала, выход которого соединен со вторым входом блока сравнения, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого источника питания, датчик напряжения выполнен в виде детектора амплитуды, входы которого соединены с зажимами электродвигателя.

Все необходимые для реализации электропривода блоки известны. Блок сравнения может быть выполнен, как описано в [10] импульсный усилитель мощности может быть аналогичен описанным в [3, с. 479-498] [8] или [10] в зависимости от типа электродвигателя. В качестве детектора амплитуды может использоваться многофазный выпрямитель с соответствующим образом выбранным накопительным конденсатором (см. например, [11, с. 121-127]), либо пиковый детектор. Сглаживающий фильтр (фильтр низких частот) может быть сделан, как описано в [12, с. 171-175] Регулируемый источник питания в простейшем случае можно реализовать, используя регулируемый электрогенератор, или, подключив к сети реостат, движок которого перемещается, например, электромеханическим преобразователем по сигналу с блока сравнения. Аналогично реостату в сети переменного тока можно использовать автотрансформатор. Также можно использовать электронные стабилизаторы напряжения. В качестве генератора эталонного сигнала можно взять, например, стабильный источник напряжения заданного уровня.

На чертеже приведена функциональная схема предложенного устройства.

Оно состоит из последовательно соединенных регулируемого источника питания (РИП) 1, импульсного усилителя мощности (УИМ) 2 и электродвигателя (ЭД) 3, последовательно соединенных детектора амплитуды (ДА) 4, сглаживающего фильтра (СФ) 5 и блока сравнения (БС) 6, выходом соединенного со входом управления регулируемого источника питания, причем второй вход блока сравнения соединен с выходом генератора эталонного сигнала (ЭГС) 7, а входы детектора амплитуды подключены к контактам электродвигателя.

В процессе работы импульсный усилитель мощности 2 выдает на двигатель 3 напряжение питания. Величина этих напряжений на двигателе меньше, чем напряжение с регулируемого источника питания 1, запитывающего усилитель мощности, на величину падения напряжения в ключах УИМ и проводах между усилителем 2 и двигателем 3. Те же напряжения поступают на входы детектора амплитуды 4. Поскольку напряжение с усилителя мощности 2 имеет переменную скважность, а, следовательно, и переменное эффективное значение, информацию об амплитуде напряжения несет только амплитуда импульсов. Чтобы обеспечить ее измерение, в детекторе 4 выделяется модуль напряжения. В результате получается последовательность однополярных импульсов, причем в случае использования в качестве детектора амплитуды многофазного выпрямителя для двигателей с числом фаз более двух скважность между импульсами на выходе детектора меньше, чем в фазах двигателя. Сглаживающий фильтр 5 с постоянной времени, большей тактового периода следования импульсов из УИМ, обеспечивает на выходе постоянное напряжение, близкое к амплитуде импульсов на контактах электродвигателя (с учетом коэффициента передачи), при этом обеспечивается подавление шумов, вызываемых, например, искрением щеток, противоЭДС и т.п. носящих более высокочастотный характер. В случае использования в качестве детектора амплитуды выпрямителя величина емкости накопительного конденсатора на его выходе и входное сопротивление сглаживающего фильтра должны быть согласованы между собой. (Если входное сопротивление мало, то напряжение на конденсаторе практически повторяет фазное, по мере роста сопротивления уровень пульсаций снижается и при достаточно большом сопротивлении конденсатор заряжается практически до амплитудного значения, а при наличии шумов даже до несколько большего). Нужно отметить, что в режимах, требующих максимального использования динамических возможностей электродвигателя, длительность импульсов в фазах максимальна, а, следовательно, и напряжение на выходе сглаживающего фильтра 5 наиболее точно соответствует амплитуде импульсов на контактах электродвигателя 3. При малом моменте нагрузки, когда не требуется большой ток, скважность импульсов возрастает. При этом, несмотря на то, что увеличиваются высокочастотные составляющие на зажимах двигателя, соответствующий выбор параметров детектора амплитуды и входного сопротивления сглаживающего фильтра делает систему малочувствительной к этим составляющим. Выбор параметров сглаживающего фильтра зависит от характеристик детектора амплитуды, допуска на точность поддержания величины напряжения на контактах двигателя в заданном диапазоне нагрузок, а также параметров шумов, и может быть осуществлен известными методами (см. например, [12, с. 60-115, 318-345]). В блоке сравнения 6 из величины напряжения с генератора эталонного сигнала 7 вычитается величина напряжения со сглаживающего фильтра 5. Сигнал с блока сравнения будет отрицательным, если напряжение на контактах двигателя больше заданного уровня, и положительным в противном случае. Поэтому сигнал с выхода блока сравнения используется для управления регулируемым источником питания, напряжение на выходе которого уменьшается, если сигнал с выхода блока сравнения отрицательный, и увеличивается, если сигнал с выхода БС положительный. Это продолжается до тех пор, пока сигнал не станет равным нулю. Чтобы динамические возможности двигателя реализовывались в максимальной степени, уровень напряжения с генератора эталонного сигнала соответствует максимальному допустимому для двигателя, которое обычно больше номинального.

Вследствие того, что напряжение на зажимах двигателя не превышает в процессе работы максимально допустимого, не ухудшаются параметры его надежности, в том числе и в режимах торможения и реверса. Кроме того, так как амплитуда напряжения на контактах двигателя поддерживается независимо от падения напряжения в цепи от усилителя мощности до двигателя, может быть уменьшено сечение проводов до величины, обусловленной допустимой для них плотностью тока, а следовательно и снижена их масса (обычно сечение выбирают из условия, чтобы сопротивление проводов было гораздо меньше сопротивления соответствующей обмотки двигателя, что требует существенного увеличения сечения проводов для двигателей большой мощности и в случае большой удаленности электродвигателя от усилителя мощности).

Из изложенного видно, что расширение динамических возможностей электропривода обеспечивается за счет поддержания на контактах электродвигателя максимально допустимой величины напряжения, поддерживаемой путем управления регулируемым источником питания, запитывающим импульсный усилитель мощности, с использованием обратной связи, реализуемой путем выделения с помощью детектора амплитуды и сглаживающего фильтра сигнала, пропорционального амплитуде напряжения на контактах двигателя, и сопоставлением его в блоке сравнения с заданным уровнем, формируемым в генераторе эталонного сигнала. При этом не снижается надежность электродвигателя и может быть достигнут дополнительный эффект в виде снижения сечения и массы проводов между усилителем мощности и двигателем.

Использование: в области электропривода, преимущественно в случаях, когда исполнительный механизм удален от блока управления с усилителем мощности. Сущность: в электроприводе с импульсным усилителем мощности использован способ, заключающийся в том, что импульсный усилитель мощности запитывают от регулируемого источника питания, для управления которым используют сигнал, пропорциональный амплитуде напряжения на обмотках двигателя. Этот способ предложено реализовать в устройстве, содержащем последовательно соединенные регулируемый источник питания, импульсный усилитель мощности и электродвигатель, а также последовательно соединенные детектор амплитуды, сглаживающий фильтр и блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом генератора эталонного сигнала. Входы детектора амплитуды соединены с контактами электродвигателя, а выход блока сравнения - с входом управления регулируемого источника питания. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления электроприводом, заключающийся в том, что на электродвигатель подают напряжение с импульсного усилителя мощности, запитанного от регулируемого источника питания, измеряют напряжение электродвигателя, замеренное значение сглаживают, сравнивают с эталонным значением и используют результат сравнения для управления регулируемым источником питания, отличающийся тем, что измеряют амплитуду напряжения на зажимах электродвигателя. 2. Устройство для управления электроприводом, содержащее последовательно соединенные регулируемый источник питания, импульсный усилитель мощности и электродвигатель, последовательно соединенные датчик напряжения и сглаживающий фильтр, подключенный к первому входу блока сравнения, а также генератор эталонного сигнала, выход которого соединен с вторым входом блока сравнения, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого источника питания, отличающееся тем, что датчик напряжения выполнен в виде детектора амплитуды, входы которого соединены с зажимами электродвигателя.