СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОКА В НАГРУЗКЕ С ПРОТИВОЭДС Российский патент 1997 года по МПК H02P5/16 H02M7/79 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано преимущественно для управления электродвигателями постоянного тока.

Известна система (1) с возможностью рекуперации энергии в сеть, содержащая источник сетевого направления, последовательно соединенные тиристорный преобразователь, сглаживающий дроссель, электродвигатель постоянного тока.

Однако показания системы с тиристорным преобразователем обладает существенными недостатками:
энергия, выделяемая в тормозных режимах электродвигателя, не используется для собственных нужд системы, а отдается в сеть, что значительно снижает КПД системы (1);
наличие режима прерывистых токов приводит к увеличению потерь в тиристорном преобразователе (8.стр.121);
относительно большие пульсации тока якоря повышают дополнительные потери мощности в якоре электродвигателя; также, данные пульсации приводят к необходимости установки сглаживающего дросселя (8,стр.118);
для обеспечения рекуперации энергии в сеть необходимо использование дополнительного комплекта теристоров (7,стр.83).

Указанные недостатки свойственны всем системам с тиристорными преобразователями и отрицательно сказываются на КПД системы 1.

Кроме того, известна система(2) с импульсным высокочастотным преобразователем, имеющая принципиально более высокий КПД по сравнению с системами с тиристорным преобразователями и устраняющая перечисленные недостатки вышеописанной системы, содержащая источник питания, четыре силовых транзисторных ключа, электродвигатель постоянного тока, причем силовые транзисторные ключи соединены между собой по мостовой схеме, электродвигатель постоянного тока включен в диагональ моста.

Однако в указанной системе невозможно осуществить рекуперацию энергии. Это обусловлено тем, что питание системы производится через неуправляемый выпрямитель. Замыкание тока в тормозных режимах электродвигателя происходит через диоды, включенные параллельно каждому силовому транзисторному ключу в обратном направлении(2,стр.36).

Таким образом, отсутствие рекуперации энергии в указанной системе значительно снижает ее КПД, который не может быть выше 71%
Кроме того, известен первичный импульсный стабилизатор напряжения (3, стр. 274), являющийся по сути системой регулирования тока в нагрузке. Указанное устройство является прототипом данного изобретения и содержит источник питания, последовательно соединенные фильтр, автономный инвертор, импульсный трансформатор, два диода, выходной фильтр, устройство управления, задающий генератор, выходы которого соединены с управляющими входами автономного инвертора через цепи гальванического разделения потенциалов.

Однако, в указанном стабилизаторе напряжения, невозможно осуществить рекуперацию энергии в нагрузку. Таким образом, указанный стабилизатор напряжения имеет низкий КПД.

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что в нагрузке с противо-ЭДС с более высоким КПД за счет рекуперации энергии в нагрузку собственных нужд.

Это достигается тем, что система регулирования тока в нагрузке с противо-ЭДС, содержащая последовательно соединенные источник питания, генератор импульсов, фильтр, автономный инвертор, импульсный трансформатор, снабжена двумя дополнительными источниками питания, двумя двунаправленными управляемыми силовыми ключами, двумя коммутаторами, блоком управления синхронизатором и автономным инвертором, синхронизатором, датчиком тока, включенным в цепь нагрузки, импульсным трансформатором, выполненным с дополнительной обмоткой, замкнутой на нагрузку собственных нужд, причем, силовые вывода двунаправленных управляемых силовых ключей соединены с выходной обмоткой импульсного трансформатора, вторые силовые выводы соединены с управляющими выводами двунаправленных управляемых силовых ключей, первые входы коммутаторов соединены с управляющими обмотками импульсного трансформатора, вторые входы соединены с положительным и отрицательным источникоами питания, третьи входы соединены с выходами генератора соединен с управляющими входами коммутаторов, первый вход синхронизатора соединен с первым силовым выводом двунаправленного управляемого силового ключа, второй вход соединен с выходом блока управления синхронизатором и автономным инвертором и управляющим входом автономного инвертора, вход блока управления синхронизатором и автономным инвертором соединен с выходом датчика тока.

В указанном решении все признаки отличительной части формулы изобретения проявляют в процессе взаимодействия присущие им известные свойства, дающие каждый в отдельности известный положительный эффект. При этом обеспечивается сверхсуммарный технический эффект, обусловленный совокупностью указанных признаков, заключающихся в том, что система регулирования тока обеспечивает рекуперацию энергии в нагрузку собственных нужд при протекании тока от действия противо-ЭДС этим достигается повышение КПД системы регулирования.

На фиг. 1 приведена функциональная схема системы регулирования тока в нагрузке с противо-ЭДС; на фиг.2-схема синхронизатора; на фиг.3-схема блока управления синхронизатором и автономным инвертором; на фиг.4-эпюры, поясняющие работу системы регулирования тока в нагрузке с противо-ЭДС.

Устройство (фиг.1) содержит источник питания (ИП) 1, последовательно соединенные фильтр (Ф) 2 и автономный инвертор (АИ) 3, нагрузка собственных нужд (НСН) 4 подключена к дополнительной обмотке (ДО) 5, импульсного трансформатора (ИТ) 6, синхронизатор (С) 7 подключен к выходу блока управления синхронизатором и автономным инвертором (БУСИ) 8 и первому силовому выводу двунаправленного управляемого силового ключа (СК) 9, последовательно соединенные двунаправленный управляемый силовой ключ 10, нагрузка (Н) 11 и датчик тока (ДТ) 12, коммутатор (К) 13 подключен к выходу генератора импульсов(ГИ) 14, к выходу которого подключен коммутатор (К) 15, два дополнительных источника питания (ИП) 16 и 17, причем первые силовые выводы двунаправленных управляемых силовых ключей 9 и 10 соединены с выходной обмоткой импульсного трансформатора 6, вторые силовые выводы соединены с нагрузкой 11, выходы коммутаторов 13 и 15 соединены с управляющими выводами двунаправленных силовых ключей 9 и 10, первые входы коммутаторов 13 и 15 соединены с управляющими обмотками импульсного трансформатора 6, вторые входы соединены с положительным и отрицательным источником питания. Третьи входы соединены с выходами генератора импульсов 14, выход синхронизатора 7 соединен с управляющими входами коммутаторов 13 и 15, первый вход синхронизатора 7 соединен с первым силовым выводом двунаправленного управляемого силового ключа 9, второй вход соединен с выходом блока управления синхронизатором и автономным инвертором 8 и управляющим входом автономного инвертора 3, вход блока управления синхронизатором и автономным инвертором 8 соединен с выходом датчика тока 12.

Источник питания 1 с фильтром 2 могут быть выполнены согласно (3, стр. 254) на диодах Д247Б и конденсаторе К50-29.

Автономный инвертор 3 предназначен для формирования импульсов биполярной последовательности, запитывающих первичную обмотку импульсного трансформатора. Автономный инвертор 3 может быть выполнен согласно (4, стр. 251).

В качестве нагрузки собственных нужд 4 могут быть использованы обыкновенные активные сопротивление и емкость. Дополнительная обмотка 5 предназначена для отвода энергии в нагрузку собственных нужд 4 в процессе рекуперации.

Импульсный трансформатор 6 с дополнительной обмоткой 5 может быть изготовлен с ферритовым сердечником (например, на кольцевом сердечнике М2000НМЗ).

Синхронизатор 7 предназначен для формирования управляющих сигналов на коммутаторы 13 и 15,синхронизатор 7 (фиг.2) содержит: компаратор 16,последовательно соединенные элемент 17 "И", элемент 18"ИЛИ", элемент 19"И-НЕ", элемент 20 "ИЛИ-НЕ", первый вход которого соединен с выходом элемента 19"И-НЕ" элемент 21"И-НЕ" первый вход которого соединен с выходом элемента 18"ИЛИ", элемент 22"ИЛИ-НЕ", второй вход которого соединен с выходом элемента 21"И-НЕ", элемент 23"И", причем на первый вход на первый вход компаратора 16 подается сигнал с первого силового вывода двунаправленного управляемого силового ключа 9, на вторые входы элементов 17"И", 18"ИЛИ", 19"И-НЕ", 20"ИЛИ-НЕ", 21"И-НЕ", первый вход элемента 22"ИЛИ-НЕ", первый и второй входы элемента 23 "И" подается код сигнала управления с выхода блока управления синхронизатором и автономным инвертором 8, выходы элемента 19 "И-НЕ", элемента 20"ИЛИ-НЕ" и элемента 23 "И" образуют код сигнала управления управляющим входом коммутатора 13, выходы элемента 21"И-НЕ", элемента 22 "ИЛИ-НЕ" и элемента 23 "И" образуют код сигнала управления входом коммутатора 15.

Компаратор 16 служит для преобразования аналогового сигнала с первого силового вывода двунаправленного силового ключа 9 в цифровой сигнал управления первым входом элемента 17 "И". В качестве компаратора может быть использована, например, микросхема К554САЗ (6,стр.265).

Элементы 17 "И", 18 "ИЛИ", N 19 "И-НЕ", 21"И-НЕ", 22"ИЛИ-НЕ",23"И" предназначены для выполнения соответствующих логических функций "И", "ИЛИ", "И-НЕ". В качестве элементов 17"И", 23"И" может быть использована, например, микросхема К555ЛИ1, в качестве элемента 18"ИЛИ" микросхема К555ЛЛI, в качестве элементов 19 "И-НЕ", 21"И-НЕ" микросхема К555ЛА3,в качестве элементов 20 "ИЛИ-НЕ", 22"ИЛИ-НЕ" микросхема К555ЛЕ1 (6,стр.77-78).

Блок управления синхронизатором и автономным инвертором 8 предназначен для формирования кода сигнала управления вторым входом синхронизатора 7 и сигнала управления управляющим входом автономного инвертора 3. Блок управления синхронизатором и автономным инвертором 8 (фиг.3)содержит: компаратор 24, триггер Шмитта 25, на вход которого подается сигнал на измерение полярности тока через нагрузку с противо-ЭДС 11, инвертирующий вход компаратора 24 соединен с выходом датчика тока 12, выход триггера Шмитта 25 формирует сигнал управления управляющим входом автономного инвертора 3, а выход компаратора 24 и выход триггера Шмитта 25 формирует код сигнала управления вторым входом синхронизатора 7.

Компаратор 24 предназначен для преобразования аналогового сигнала с выхода датчика тока 12 в цифровой сигнал и инвертирования этого сигнала. В качестве компаратора может быть использована, например, микросхема К554СА3 (6, стр.269).

Триггер Шмитта 25 предназначен для согласования цепи управления (U_упр) с уровнем логических входов цифровых микросхем синхронизатора 7. В качестве триггера Шмитта может быть использована, например, микросхема К531ТЛ3 (6, стр.81).

Двунаправленные управляемые силовые ключи 9 и 10 предназначены для обеспечения протекания тока через нагрузку с противо-ЭДС 11 в прямом и обратном направлении. Двунаправленные управляемые силовые ключи могут быть представлены, например, полевыми транзисторами КП913А (3,стр.56,рис.51д).

В качестве нагрузки с противо-ЭДС-11 может быть использован общеизвестный стандартный двигатель типа ЭДР-145.

Датчик тока 12 предназначен для получения информации о моменте перехода через ноль тока в цепи нагрузки с противо-ЭДС 11. Датчик тока может быть в виде стандартного шунта Ш-30-0,075 (1,стр.349).

Коммутаторы 13 и 15 предназначены для поочередной коммутации управляющих выводов двунаправленных управляемых силовых ключей 9 и 10 с управляющими обмотками импульсного трансформатора 6, положительным и отрицательным источником питания, выходами генератора импульсов 14. В качестве коммутаторов может быть использована, например микросхема КР590КН2 [6,стр.270]
Генератор импульсов 14 предназначен для генерирования прямоугольных импульсов биполярной импульсной последовательности и может быть выполнен согласно [3, стр. 312]
Дополнительные источники питания 16 и 17 предназначены для задания необходимых напряжений на вторые входы коммутаторов 13 и 15 для правильного алгоритма работы. В качестве дополнительных источников питания 16 и 17 могут быть использованы стандартные источники питания, например, типа БП5-47А, ТЭС-14, ТЭС-17.

Устройство работает следующим образом. В выпрямительном режиме автономный инвертор 3 формирует импульсы биполярной импульсной последовательности (фиг. 4а, t₁) через нагрузку с противо-ЭДС 11 протекает квазиустановившийся ток (фиг.4в,t₁) следующим образом: при положительном импульсе автономного инвертора 3 на первом силовом выводе двунаправленного управляемого силового ключа 9 через выходную обмотку импульсного трансформатора 6 наводится положительный потенциал, на управляющем выводе силового ключа 9 через первый выход коммутатора 13 наводится положительный потенциал относительно первого силового вывода указанного ключа 9 с помощью управляющей обмотки импульсного трансформатора 6. Силовой ключ 9 открывается. Одновременно выходная и управляющая обмотки импульсного трансформатора 6 наводят отрицательные потенциалы на первом силовом и управляющем выводах двунаправленного управляемого силового ключа 10 таким образом, что указанный ключ оказывается в закрытом состоянии. Ток протекает по цепи: выходная обмотка импульсного трансформатора 6, двунаправленный управляющий силовой ключ 9, нагрузка с противо-ЭДС 11, датчик тока 12, корпус.

При отрицательном импульсе автономного инвертора 3 в выходных и управляющих обмотках импульсного трансформатора 6 наводятся противоположные по знаку потенциалы таким образом, что двунаправленный управляемый силовой ключ 9 закрывается, а двунаправленный управляемый силовой ключ 10 оказывается в открытом состоянии. Тогда ток протекает следующим образом: выходная обмотка импульсного трансформатора 6, двунаправленный управляемый силовой ключ 10, нагрузка с противо-ЭДС 11, датчик тока 12, корпус.

Таким образом обеспечивается протекание непрерывного тока через нагрузку с противо-ЭДС 11. В инверторном режиме происходит спадание тока нагрузки 11 до нуля и протекание его в обратном направлении от действия противо-ЭДС нагрузки 11.

С приходом сигнала на изменение полярности тока через нагрузку 11 блок управления синхронизатором и автономным инвертором 8 формирует сигнал на отключение автономного инвертора 3 и код сигнала управления на синхронизатор 7. Если при этом протекает ток в цепи силового ключа 9, синхронизатор 7 формирует код сигнала управления на управляющие входы коммутаторов 13 и 15, в результате чего управляющий вывод силового ключа 9 отключается первым выходом коммутатора 13 от управляющей обмотки импульсного трансформатора 6 и подключается вторым выходом коммутатора 13 к положительному источнику питания. Аналогичным образом управляющий вывод силового ключа 10 переключается коммутатором 15 на отрицательный источник питания.

Таким образом, силовой ключ 9 находится в открытом состоянии, а силовой ключ 10 закрыт. Ток спадает до нуля по цепи: нагрузка с противо-ЭДС 11, датчик тока 12, корпус, выходная обмотка импульсного трансформатора 6, силовой ключ 9.

При переходе тока нагрузки 11 через ноль (фиг.4в,t₂) датчик тока 12 выдает сигнал в блок управления синхронизатором и автономным инвертором 8, который воздействует на синхронизатор 7, который формирует код сигнала управления на управляющие входы коммутаторов 13 и 15. Управляющий вывод двунаправленного управляемого силового ключа 9 отключается вторым выходом коммутатора 13 от положительного источника питания и подключается третьим выходом коммутатора 13 к прямому выходу генератора импульсов 14. Аналогичным образом управляющий вывод силового ключа 10 переключается коммутатором 15 с отрицательного источника питания на инверсный выход генератора импульсов 14.

Генератор импульсов 14 формирует импульсы биполярной импульсной последовательности. При положительном импульсе сигнала генератора 14 к управляющему выводу силового ключа 9 прикладывается положительный потенциал, а к управляющему выводу силового ключа 10 отрицательный, в результате чего силовой ключ 9 оказывается в открытом состоянии, а силовой ключ 10 закрыт.

Таким образом обеспечивается контур протекания тока, создаваемого противо-ЭДС нагрузки 11, через силовой ключ 9 и выходную обмотку импульсного трансформатора 6; в дополнительной обмотке 5 наводится ЭДС, которая может быть использована для собственных нужд.

При отрицательном импульсе генератора импульсов 14 состояние силовых ключей 9 и 10 меняется на противоположные, создается контур протекания тока нагрузки 11 через силовой ключ 10 и выходную обмотку импульсного трансформатора 6. В дополнительной обмотке 5 продолжает наводится ЭДС.

Таким образом, пока существует ток от противо-ЭДС нагрузки 11, используется полезная энергия, снимаемая с дополнительной обмотки 5 импульсного трансформатора 6 и повышается КПД системы в целом.

С приходом сигнала на изменение полярности тока через нагрузку 11 синхронизатор 7 формирует код сигнала управления на управляющие входы коммутаторов 13 и 15, происходит переключение управляющих выводов силовых ключей 9 и 10 с выходов генератора импульсов 14 на управляющие обмотки импульсного трансформатора 6. Автономный инвертор 3 начинает формировать импульсы и система регулирования тока переходит в исходное состояние, т.е. выпрямительный режим. Ток через нагрузку 11 уменьшается до нуля, затем изменяет свой знак и нарастает до наступления квазиустановившегося режима (фиг.4в, t₄).

Таким образом, в предполагаемом режиме КПД системы регулирования тока в нагрузке в противо-ЭДС значительно выше по сравнению с прототипом 3 и может достигать ≈ 80% Повышение КПД системы осуществляется за счет двух составляющих. Первое: увеличение КПД примерно на 5 7% вследствие рекуперации энергии в нагрузку собственных нужд (на примере "Двухпозиционная релейная система регулирования тока для транзисторных электроприборов" Н.В.Донской, В.А. Матисон. Тезисы докладов на X Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам автоматизированного электропривода. Воронеж, 1987 г.). Второе: уменьшение мощности потерь на переключение двунаправленных ключей на 3 5% в случае применения полевых транзисторов (МОП-структуры с обогащенным каналом) типа КТ 912А(913А).

Использование: изобретение относится к электротехнике и может быть использовано преимущественно для управления электродвигателями постоянного тока, а также в регулируемых источниках питания с высокими динамическими показателями. Сущность изобретения: предлагаемая система регулирования тока в нагрузке с противо-ЭДС содержит последовательно соединенные источник питания 1, фильтр 2 и автономный инвертор 3, нагрузка собственных нужд 4 подключена к дополнительной обмотке 5 импульсного трансформатора 6, синхронизатор 7 подключен к выходу блока управления синхронизатором и автономным инвертором 8 и первому силовому выводу двунаправленного управляемого силового ключа 9, последовательно соединенные двунаправленный управляемый силовой ключ 10, нагрузка 11 и датчик тока 12, коммутатор 13 подключен к выходу генератора импульсов 14, к выходу которого подключен коммутатор 15,два дополнительных источника питания 16 и 17. система регулирования тока в нагрузке с противо-ЭДС в нагрузку собственных нужд повысить КПД системы в целом. 4 ил.

Система регулирования тока в нагрузке с противоЭДС, содержащая генератор импульсов, последовательно соединенные источник питания, фильтр, автономный инвертор, первичную обмотку импульсного трансформатора, отличающаяся тем, что в нее введены два дополнительных источника питания, два двунаправленных управляемых силовых ключа, два коммутатора, блок управления синхронизатором и автономным инвертором, синхронизатор, датчик тока, включенный в цепь нагрузки, а импульсный трансформатор выполнен с дополнительной обмоткой, подключенной к нагрузке собственных нужд, причем первые силовые выводы двунаправленных управляемых силовых ключей соединены с выходной обмоткой импульсного трансформатора, вторые силовые выводы соединены с нагрузкой, выходы коммутаторов соединены с управляющими выводами двунаправленных управляемых силовых ключей, первые входы коммутаторов соединены с управляющими обмотками импульсного трансформатора, вторые входы соединены с дополнительными источниками питания, третьи входы соединены с выходами генератора импульсов, выход синхронизатора соединен с управляющими входами коммутаторов, первый вход синхронизатора соединен с первым выводом двунаправленного управляемого силового ключа, второй вход соединен с выходом блока управления синхронизатором и автономным инвертором и управляющим входом автономного инвертора, вход блока управления синхронизатором и автономным инвертором соединен с выходом датчика тока.