ЭЛЕКТРОПРИВОД Российский патент 2000 года по МПК H02P7/42 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах регулирования скорости или углового положения нагрузки.

Известны устройства, где в качестве датчика тока преобразователя энергии используются резисторы. Однако это снижает КПД преобразователя и не дает возможности измерять токи в каждой фазе.

Известны также схемы с измерителем тока в фазах двигателя.

Наиболее близким к предлагаемому из известных технических решений является электропривод, содержащий двигатель, снабженный силовыми измерительными обмотками, преобразователь частоты, выходом связанный с силовыми обмотками двигателя, а входом - с выходом блока управления, и датчик тока, связанный выходом через блок сравнения с входом блока управления.

Недостатком известных устройств является их сложность, т.к. измерители тока имеют сложную схему и, как правило, требуют наличия питающего генератора высокой частоты. Это приводит также к уменьшению КПД ввиду наличия потерь мощности в измерителях тока и питающем генераторе.

Цель предлагаемого устройства - упрощение схемы и повышение КПД электропривода.

Указанная цель достигается тем, что в электроприводе, содержащем двигатель, снабженный силовыми и измерительными обмотками, преобразователь частоты, выходом связанный с силовыми обмотками двигателя, а входом - с выходом блока управления, и датчик тока, выходное напряжение которого подается на вход блока сравнения который формирует сигнал управления для блока управления, датчик тока выполнен в виде устройства вычитания, первый вход которого связан с измерительными обмотками двигателя, второй вход связан с выходом преобразователя частоты, а выход устройства вычитания образует выход датчика тока, при этом общая точка измерительных обмоток двигателя подключена к земляной клемме источника питания, общая точка силовых обмоток двигателя подключенa к средней точке источника питания, которая также связана с соответствующим входом устройства вычитания, причем указанная связь осуществлена через инвертор. Кроме того, измерительные и силовые обмотки двигателя намотаны в параллель, а датчик тока снабжен включенным на его выходе интегропропорциональным звеном.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого электропривода в трехфазном варианте его исполнения. Однако число фаз может быть выбрано любым (2, 5 и т.д.), в том числе и равным 1.

Электропривод содержит двигатель 1 с силовыми 2 и измерительными 3 обмотками и электронную схему (ЭС), включающую в себя на каждую ее фазу преобразователь 4 частоты (ПЧ), выполненный как усилитель мощности, выход которого подключен к силовой 2 обмотки двигателя 1, а вход соединен с выходом блока 5 управления (БУ). Кроме того, каждая фаза ЭС содержит датчик (формирователь) тока статора двигателя, выполненный в виде устройства 6 вычитания (УВ), первый 7 вход которого связан, например, через резистор 8 с соответствующей измерительной 3 обмоткой двигателя 1. Выход УВ образует выход датчика тока, который через блок 19 сравнения связан с входом БУ (5).

Свободные концы силовых 2 обмоток объединены в общую точку 12 и подсоединены к средней точке 13 источника питания 14, которая, например через инвертор 11 и резистор 15, связана с соответствующим (вторым - 9) входом УВ (6). Свободные концы измерительных 3 обмоток, объединенные в общую точку, подсоединены к "земляной" клемме 17 источника питания 14. Связь УВ (6) со средней точкой 13 источника питания 14 может также (если это возможно по схемным соображениям) осуществляться непосредственно через резистор 15, который в этом случае подключается к другому входу УВ (6). Каждая фаза ЭС может содержать также интегропропорциональное звено (фильтр) 20, включенное между выходом УВ (6) и блоком 19 сравнения.

Электропривод работает следующим образом.

При подаче сигнала управления, например в виде тока i_a (i_b и i_c), на вход блока 19 сравнения последний формирует сигнал управления (ΔU) для БУ (5) и посредством его - для ПЧ (4). На выходе ПЧ (4) формируется ток 1, который, протекая по силовым 2 обмоткам двигателя 1, создает в нем вращающий момент, пропорциональный величине входного сигнала i_a (i_b и i_c).

Формирование сигнала обратной связи по току статора осуществляется следующим образом. На первый 7 вход устройства 6 вычитания через резистор 8 подается напряжение U с измерительной 3 обмотки двигателя 1, а на второй 9 его вход - напряжение U_вых с выхода преобразователя 4 частоты (т.е. напряжение с силовой 2 обмотки). При этом (относительно "земляной" клеммы 17 источника питания 14) напряжение (например, для фазы A с учетом схемы замещения электрической машины и без учета тока через резисторы 8 и 10)
U_вых=U_a+U_n/2=Ir+pIL+E_a+U_n/2
где r, L, E_a - соответственно активное сопротивление, индуктивность и ЭДС силовой обмотки двигателя, p - оператор, U_n - напряжение источника питания.

Напряжение на измерительной обмотке
U=pIM+E,
где M - взаимная индуктивность силовой и измерительной обмоток, E - ЭДС.

Учитывая, что на первый 7 вход устройства 6 вычитания подается еще и напряжение с выхода инвертора 11, равное (U_n/2), можно считать, что на выходе устройства 6 формируется напряжение (при равенстве значений ЭДС в обмотках E_a=E)
U₆=I_r+pI(L-M).

При отсутствии потока рассеяния между измерительной и силовой обмотками двигателя (что имеет место в случае намотки их в параллель) M=L и
U₆=I_r.

Это напряжение U₆, пропорциональное величине выходного тока 1 преобразователя 4 частоты, подается на вход блока 19 сравнения.

В этом случае, когда M≠L (L=L_s+L₁, а L₁=M),
U₆=I_r+pIL_s
возникающую ошибку (за счет величины pIL_s) в формировании сигнала по току можно компенсировать постановкой на выходе устройства 6 вычитания интегропропорционального звена 20 с передаточной функцией

Тогда на его выходе при значении T=L_s/r будет напряжение, равное

То есть и в этом случае формирование сигнала, пропорционального току статора, производится без погрешности.

Таким образом, возможность выделения напряжения на активном сопротивлении силовых обмоток статора двигателя и использование его в качестве сигнала обратной связи по току существенно упрощает схему привода и повышает КПД, т. к. для нее не требуется вспомогательных шунтов или сложных датчиков тока с дополнительными источниками питания повышенной частоты, как это имеет место в известных схемах.

Макет предлагаемого устройства мощностью 270 Вт (U_n=27 В, I_н=10 А) был испытан на эквивалентную нагрузку при намотке силовой и измерительной обмоток в параллель и подтвердил возможность полной компенсации влияния взаимной индуктивности на коэффициент передачи формирователя тока статора.

Изобретение может быть использовано в следящих системах регулирования. Технический результат заключается в упрощении схемы привода и повышении КПД за счет отсутствия шунтов и соответственно потерь мощности. Электропривод содержит датчик тока, который выполнен в виде устройства вычитания, первый вход которого связан с измерительными обмотками, а второй - с выходом преобразователя частоты, а выход образует выход датчика тока. Общая точка силовых обмоток двигателя, соединенных в звезду, подсоединена к средней точке источника питания преобразователя частоты и связана, например, через инвертор с входом устройства вычитания. Выход инвертора через соответствующий резистор подключен ко второму входу устройства вычитания. Общая точка измерительной обмотки, соединенной в звезду, подсоединена к земляной клемме источника питания. Кроме того, датчик тока на выходе снабжен интегропропорциональным звеном. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электропривод, содержащий двигатель, снабженный силовыми и измерительными обмотками, преобразователь частоты, выходом связанный с силовыми обмотками двигателя, а входом - с выходом блока управления и датчик тока, напряжение с выхода которого подается на вход блока сравнения, который формирует сигнал управления для блока управления, отличающийся тем, что датчик тока выполнен в виде устройства вычитания, первый вход которого связан с измерительными обмотками двигателя, второй вход связан с выходом преобразователя частоты, а выход устройства вычитания образует выход датчика тока. 2. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что общая точка измерительных обмоток двигателя подключена к земляной клемме источника питания, а общая точка силовых обмоток двигателя подсоединена к средней точке источника питания, которая также связана с соответствующим входом устройства вычитания, причем указанная связь осуществлена через инвертор. 3. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что измерительные и силовые обмотки двигателя намотаны в параллель. 4. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что датчик тока снабжен включенным на его выходе интегропропорциональным звеном.