УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧИСЛА ОБОРОТОВ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК H02P5/418 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах управления электродвигателями, например в ручных электроинструментах.

Известна схема регулирования (см. Евсеев Ю.А., Крылов С.С. Симисторы и их применение в бытовой электроаппаратуре. М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 67, рис. 61б), содержащая симметричный тиристор, включенный последовательно с электродвигателем в сеть переменного тока, управляющие резистор и конденсатор, подключенные через пороговый элемент (симметричный динистор) к управляющему электроду тиристора.

Известен регулятор тока (см. Евсеев Ю.А., Крылов С.С. Симисторы и их применение в бытовой электроаппаратуре. М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 78, рис. 69б), содержащий симметричный тиристор, включенный последовательно с электродвигателем в сеть переменного тока, управляющие резистор и конденсатор, подключенные через пороговый элемент (выпрямительный мост с аналогом динистора, включенным в его диагональ) к управляющему электроду тиристора.

Однако известные устройства недостаточно безопасны в работе из-за возможности самопроизвольного включения после временного отсутствия напряжения в питающей сети и отсутствия защиты от перегрева.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение безопасности работы устройств.

Для решения поставленной задачи устройство для регулирования числа оборотов электродвигателя, содержащее симметричный тиристор, включенный последовательно с электродвигателем в сеть переменного тока, управляющие резистор и конденсатор, подключенные через пороговый элемент к управляющему электроду тиристора, снабжено управляемым импульсным источником питания, содержащим два диода, два стабилитрона, два ключевых элемента и конденсаторный блок, состоящий из двух конденсаторов, при этом напряжение сети через выпрямители на диодах поступает на зарядные конденсаторы, уровень заряда которых определяется стабилитронами, которые поочередно в зависимости от полярности питающего напряжения подключаются ключевыми элементами к выходу управляемого импульсного источника питания, один вход которого соединен с одним выводом электродвигателя, с другим выводом которого соединен управляющий вход управляемого импульсного источника питания, с выхода которого импульсное напряжение через управляющий резистор подается на управляющий конденсатор, при этом управляющие резистор и конденсатор включены таким образом, что при достижении заряда на управляющем конденсаторе уровня срабатывания порогового элемента происходит включение тиристора, и блоком защиты, выполненным в виде несимметричного триггера, выход которого соединен с положительной и отрицательной обкладками конденсаторного блока, а вход - с управляющим входом управляемого импульсного источника питания.

Задача решается и тем, что устройство для регулирования числа оборотов электродвигателя, содержащее симметричный тиристор, включенный последовательно с электродвигателем в сеть переменного тока, управляющие резистор и конденсатор, подключенные через пороговый элемент к управляющему электроду тиристора, снабжено управляемым импульсным источником питания, содержащим два диода, два стабилитрона, два ключевых элемента и конденсаторный блок, состоящий из двух конденсаторов, при этом напряжение сети через выпрямители на диодах поступает на зарядные конденсаторы, уровень заряда которых определяется стабилитронами, которые поочередно в зависимости от полярности питающего напряжения подключаются ключевыми элементами к выходу управляемого импульсного источника питания, один вход которого соединен с одним выводом электродвигателя, с другим выводом которого соединен управляющий вход управляемого импульсного источника питания, с выхода которого импульсное напряжение через управляющий резистор подается на управляющий конденсатор, при этом управляющие резистор и конденсатор включены таким образом, что при достижении заряда на управляющем конденсаторе уровня срабатывания порогового элемента происходит включение тиристора, и блоком защиты, выполненным в виде несимметричного триггера, выход которого соединен с положительной и отрицательной обкладками конденсаторного блока, а вход - с управляющим входом управляемого импульсного источника питания, при этом один из резисторов делителя потенциала коллектора первого транзистора триггера выполнен в виде терморезистора.

Введение блока защиты повышает безопасность работы устройств, например ручных электроинструментов, исключая их самопроизвольное срабатывание после временного отключения напряжения в питающей сети. Для обеспечения защиты от самопроизвольного включения при появлении временно отсутствовавшего напряжения сети необходимо исключить заряд управляющего конденсатора, т.е. шунтировать управляющие резистор и конденсатор при помощи блока защиты. Однако использование такого блока защиты в известных устройствах привело бы к короткому замыканию (КЗ) сети. Применение высокоомного резистора, параллельного выводам для подключения устройства к сети, предотвращающего режим КЗ, значительно бы снизило выходную мощность устройства, использование же низкоомного резистора привело бы к увеличению рассеиваемой на нем мощности, что препятствовало бы микроминиатюризации данного устройства.

Введение наряду с блоком защиты управляемого импульсного источника питания (УИИП) позволяет обеспечить безопасность работы устройства не только не снизив его выходной мощности, но и увеличив максимально возможное напряжение питания, подаваемое на двигатель. Так как на управляющий конденсатор в момент перехода напряжения питающей сети через нуль подаются импульсы достаточной мощности, при положении движка управляющего резистора, соответствующем минимальному его сопротивлению, заряд управляющего конденсатора происходит за очень малое время, практически мгновенно. Т.е. введение УИИПа расширяет диапазон регулирования скорости электродвигателя за счет увеличения максимально возможного напряжения питания, подаваемого на двигатель, и обеспечивает возможность микроминиатюрного исполнения предлагаемого устройства. Выполнение блока защиты в виде несимметричного триггера, входами подключенного к разнополюсным обкладкам конденсаторного блока, позволяет дополнительно снизить габариты устройства, т.к. в этом случае конденсаторный блок не только позволяет формировать импульсы УИИПа достаточной мощности, но и является элементом задержки, обеспечивающим порядок срабатывания блока защиты.

Выполнение одного из резисторов делителя потенциала коллектора первого транзистора несимметричного транзисторного триггера в виде терморезистора позволяет повысить безопасность работы устройства как за счет исключения возможности самопроизвольного включения, так и за счет защиты от перегрева. Так как при повышении допустимой температуры терморезистора, установленного как датчик температуры, например как статор двигателя или радиатор тиристора, также срабатывает блок защиты.

На фиг. 1 представлена схема первого варианта устройства для регулирования числа оборотов электродвигателя; на фиг. 2 - схема второго варианта устройства при использовании терморезистора с положительным температурным коэффициентом сопротивления; на фиг. 3 - схема второго варианта устройства при использовании терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления; на фиг. 4 - эпюры напряжений, поясняющие работы управляемого импульсного источника питания.

Устройство для регулирования числа оборотов электродвигателя по первому варианту (см. фиг. 1) содержит симметричный тиристор 1, включенный последовательно с электродвигателем 2 в сеть переменного тока, управляющие резистор 3 и конденсатор 4, общей точкой соединения подключенные через пороговый элемент 5 к управляющему электроду тиристора 1. Пороговый элемент 5 может быть выполнен в виде выпрямительного моста 6 с диагональным динистором 7. Введенный УИИП 8 содержит конденсаторный блок, состоящий из зарядных конденсаторов 9, 10, ключевые элементы на транзисторах 11, 12, диоды 13, 14, стабилитроны 15, 16. Вход 17 питания и управляющий вход 18 УИИПа 8 через резисторы 19, 20 подключены к выводам двигателя 2, причем вход 17 - через переключатель 21. Управляющим входом 18 и входом 22 УИИП 8 подключен параллельно тиристору 1, а выходами 23, 24 - к блоку 25 защиты. Блок 25 защиты содержит транзисторы 26, 27, резисторы 28 - 30 и диод 31, соединенные по схеме несимметричного триггера.

Устройство для регулирования числа оборотов электродвигателя по второму варианту (см. фиг. 2) содержит симметричный тиристор 1, включенный последовательно с электродвигателем 2 в сеть переменного тока, управляющие резистор 3 и конденсатор 4, общей точкой соединения подключенные через пороговый элемент 5 к управляющему электроду тиристора 1. Пороговый элемент 5 может быть выполнен в виде выпрямительного моста 6 с диагональным динистором 7. Введенный УИИП 8 содержит конденсаторный блок из зарядных конденсаторов 9, 10, ключевые элементы на транзисторах 11, 12, диоды 13, 14, стабилитроны 15, 16. Вход питания 17 и управляющий вход 18 УИИП 8 через резисторы 19, 20 подключены к выводам двигателя 2, причем вход 17 - через переключатель 21. Управляющим входом 18 и входом 22 УИИП 8 подключен параллельно тиристору 1, а выходами 23, 24 - к блоку 25 защиты. Блок 25 защиты содержит транзисторы 26, 27, резисторы 28 - 30 и диод 31, соединенные по схеме несимметричного триггера. Резистор 29 выполнен в виде терморезистора с положительным температурным коэффициентом сопротивления. В устройстве по второму варианту, представленному на фиг. 3, в виде терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления выполнен резистор 30.

Устройство для регулирования числа оборотов электродвигателя по первому варианту работает следующим образом.

В установившемся режиме частота вращения электродвигателя 2 определяется сдвигом фазы управляющего сигнала, формируемого с помощью УИИП 8, управляющих резистора 3 и конденсатора 4. УИИП 8 формирует импульсы, которые в момент перехода напряжения сети через нуль подаются с его выхода через управляющий резистор 3 на управляющий конденсатор 4. При формировании импульсов УИИПом 8 (см. фиг. 1) напряжение сети (см. фиг. 4, а) через ограничительный резистор 19 и выпрямители на диодах 13, 14 поступает на зарядные конденсаторы 9, 10, уровень заряда которых определяется стабилитронами 15, 16. Через резистор 20 подается напряжение сети на управление транзисторными ключами 11, 12 поочередно в зависимости от полярности полуволны питающего напряжения, подключают к управляемому конденсатору 4 соответствующий зарядный конденсатор 9 или 10. Этим обеспечивается формирование и подача импульсного напряжения U_вх1 (см. фиг. 4, б) в момент перехода питающего напряжения сети через нуль с выхода УИИПа 8 через резистор 3 на управляющий конденсатор 4. При достижении напряжения заряда на конденсаторе 4 уровня срабатывании (U_сраб) порогового элемента 5 (см. фиг. 4, в) происходит включение тиристора 1 (см. фиг. 4, г). Для достижения максимально возможного напряжения питания на двигатель 2, близкого к напряжению сети, заряд конденсатора 4 до величины U_сраб должен происходить за очень малое время t_зар1 (см. фиг. 4, в), практически мгновенно. В предлагаемом устройстве это достигается подачей на конденсатор 4 импульсов достаточной мощности в момент перехода напряжения питающей сети через нуль. Достаточная мощность формируемых УИИП 8 импульсов обеспечивается наличием постоянной связи входа 17 с напряжением питающей сети. Заряд конденсаторов 9, 10 происходит в период времени, когда тиристор 1 включен. При этом чем дольше включен тиристор 1, тем большее время накапливается через заряд на конденсаторах 9, 10. При пропадании напряжения в питающей сети после остановки двигателя 2 конденсаторы 9, 10 разряжаются через резисторы 28 - 30 блока 25 защиты. При появлении напряжения в сети его положительная полуволна поступает одновременно через резистор 19 на заряд конденсатора 9 и через резистор 20 - на базу транзистора 26. Так как постоянная времени цепи заряда конденсатора 9 больше, чем время открывания транзистора 26, последний открывается и шунтирует цепь заряда конденсаторного блока. Поэтому импульсы на входе УИИП 8 отсутствуют, т.е. не происходит самопроизвольный неконтролируемый запуск двигателя 2 после появления временно отсутствовавшего напряжения в питающей сети. Для включения двигателя 2 необходимо произвести манипуляции с тумблером 21. При отключенном тумблере 21 конденсаторы 9, 10 заряжаются, повышая потенциал коллектора 26 и, следовательно, потенциал базы транзистора 27. При этом открывается до этого постоянно закрытый транзистор 27. открытый транзистор 27 шунтирует базу транзистора 26. При включении тумблера 21 импульсы с управляющего входа 18 УИИПа 8 не проходят через закрытый транзистор 26, т.е. блок 25 защиты в нормальном режиме на работу устройства не влияет.

Устройство для регулирования числа оборотов электродвигателя по второму варианту работает аналогично первому.

Различие состоит в том, что один из резисторов блока 25 защиты выполнен в виде терморезистора, например резистор 29 (см. фиг. 2) или резистор 30 (см. фиг. 3), с температурной зависимостью, указанной ранее. Терморезистор 29 (см. фиг. 3) в качестве датчика температуры может быть помещен на статор двигателя 2 или, например, радиатор тиристора 1. При увеличении температуры защищаемого объекта, т. е. при увеличении сопротивления резистора 29, закрывается транзистор 27 и положительной полуволной питающего напряжения открывается транзистор 26. Открытый транзистор 26 шунтирует цепь заряда конденсатора 9, 10, а так как при этом УИИП 8 не вырабатывает импульсы, то не включается тиристор 1 и двигатель 2 останавливается.

В дальнейшем устройство работает как в первом варианте, т.е. при остывании защищаемого от перегрева объекта самопроизвольного включения двигателя 2 не происходит. Для включения устройства необходимо переключить тумблер 21.

Таким образом, предлагаемое устройство, которое может быть выполнено микроминиатюрным, расширяя диапазон регулирования скорости электродвигателя, обеспечивает безопасность работы за счет защиты от перегрева и самопроизвольного включения после временного отсутствия напряжения в питающей сети.

Использование: в устройствах управления электродвигателями, например в ручных электроинструментах. Сущность: устройство по первому варианту содержит тиристор, включенный последовательно с электродвигателем в сеть переменного тока, управляющие резистор и конденсатор, подключенные через пороговый элемент к управляющему электроду тиристора, управляемый импульсный источник питания, содержащий конденсаторный блок из зарядных конденсаторов, ключевые элементы и блок защиты, в виде несимметричного триггера. Устройство по второму варианту выполнено аналогично первому, различие состоит в том, что один из резисторов делителя потенциала коллектора транзистора блока защиты выполнен в виде терморезистора. Предлагаемое устройство обеспечивает безопасность работы за счет защиты от перегрева и самопроизвольного включения после временного отсутствия напряжения в питающей сети. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для регулирования числа оборотов электродвигателя, содержащее симметричный тиристор, включенный последовательно с электродвигателем в сеть переменного тока, управляющие резистор и конденсатор, подключенные через пороговый элемент к управляющему электроду тиристора, отличающееся тем, что оно снабжено управляемым импульсным источником питания, содержащим два диода, два стабилитрона, два ключевых элемента и конденсаторный блок, состоящий из двух конденсаторов, при этом напряжение сети через выпрямители на диодах поступает на зарядные конденсаторы, уровень заряда которых определяется стабилитронами, которые поочередно в зависимости от полярности питающего напряжения подключаются ключевыми элементами к выходу управляемого импульсного источника питания, один вход которого соединен с одним выводом электродвигателя, с другим выводом которого соединен управляющий вход управляемого импульсного источника питания, с выхода которого импульсное напряжение через управляющий резистор подается на управляющий конденсатор, при этом управляющие резистор и конденсатор включены таким образом, что при достижении заряда на управляющем конденсаторе уровня срабатывания порогового элемента происходит включение тиристора, и блоком защиты, выполненным в виде несимметричного триггера, выход которого соединен с положительной и отрицательной обкладками конденсаторного блока, а вход - с управляющим входом управляемого импульсного источника питания. 2. Устройство для регулирования числа оборотов электродвигателя, содержащее симметричный тиристор, включенный последовательно с электродвигателем в сеть переменного тока, управляющие резистор и конденсатор, подключенные через пороговый элемент к управляющему электроду тиристора, отличающееся тем, что оно снабжено управляемым импульсным источником питания, содержащим два диода, два стабилитрона, два ключевых элемента и конденсаторный блок, состоящий из двух конденсаторов, при этом напряжение сети через выпрямители на диодах поступает на зарядные конденсаторы, уровень заряда которых определяется стабилитронами, которые поочередно в зависимости от полярности питающего напряжения подключаются ключевыми элементами к выходу управляемого импульсного источника питания, один вход которого соединен с одним выводом электродвигателя, с другим выводом которого соединен управляющий вход управляемого импульсного источника питания, с выхода которого импульсное напряжение через управляющий резистор подается на управляющий конденсатор, при этом управляющие резистор и конденсатор включены таким образом, что при достижении заряда на управляющем конденсаторе уровне срабатывания порогового элемента происходит выключение тиристора, и блоком защиты, выполненным в виде несимметричного триггера, выход которого соединен с положительной и отрицательной обкладками конденсаторного блока, а вход - с управляющим входом управляемого импульсного источника питания, при этом один из резисторов делителя потенциала коллектора первого транзистора триггера выполнен в виде терморезистора.