Частотно-регулируемый электропривод с широтно-импульсной модуляцией Советский патент 1987 года по МПК H02P7/42 

1 3

Изобретение относится к электротехнике, в частности к частотно-регулируемым электроприводам с применением статических преобразователей переменного тока с,широтно-импульсной модуляцией фазных напряжений и может быть использовано в электроприводах с цифровым управлением частоты вращения, особенно в диапазоне низких частот.

Известен- частотно-регулируемый электропривод с цифровым управлением частотой вращения асинхронного электродвигателя путем регулирования скважности управляющего сигнала, содержащий последовательно соед1 ненные между собой формирователь импульсов, синхронизатор, преобразователь с управляемой задержкой, управляемый узел задержки, триггер тактовой частоты, модулятор управляющего сигнала, усилитель постоянного тока и асинхронный электродвигатель.

Электропривод обеспечивает регулирование частоты вращения однофазных электродвигателей. Однако для управления трехфазными электродвигателями электропривод не предназначен. Кроме того, выходное напряжение преобразователя этого электропривода отличается от синусоиды и содержит больщое количество гармоник, что приводит к неравномерности вращения электродвигателя .

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является частотно-регулируемый электропривод с широтно-импульсной модуляцией, содержащий электродвигатель, подключенный к преобразователю, управляющие входы которого соединены с выходами блока модуляции, состоящего из группы однотипных ячеек по две ячейки на каждую фазу двигателя и содержащего по два элемента И в/каждой ячейке, первые входы которых соединены с соответствующими выходами распределителя импульсов, задаюпцш генератор, соединенный через делитель частоты, двоичный счетчик с распределителем импульсов. Кроме того, схема управления содержит трехфазный и опорный генераторы, делитель частоты из двух ступеней, формирователь коротких импульсов, ключ, интегратор и компаратор.

Этот электропривод имеет два существенных недостатка. Во-первых,

5

0

9872

для работы электропривода необходимы два задающих генератора, разница частот которых определяет выходную частоту электропривода. На низких частотах вращения разница частот задающих генераторов должна быть мала, а абсолютная частота каждого из них - высокой (для большего заполнения периода синусоиды формирующими импуль сами). Эти условия накладывают высокие требования к стабильности частоты задающих генераторов. При доступной стабильности частоты задающих генераторов выходная частота преобразователя и частота вращения электродвигателя нестабильны. Нестабильность выходной частоты определяется отношением суммы нестабильности частот задающих генераторов к разности частот этих генераторов.

Во-вторых, синусоидальный выходной сигнал формируется с участием аналогового интегратора, преобразующего амплитуду синусоидального входного сигнала -в длительность импульса.

На участках, соответствующих малому уровню выходного сигнала (в зонах перехода через нуль), преобразование амплитуды в длительность произ- водится с больщой погрещностью. В результате форма выходного напряжения в зонах перехода через нуль наиболее сильно влияющих на равномерность вращения двигателя существенно отлича5 ется от синусоиды.

Целью изобретения является повы- щение равномерности вращения электродвигателя.

Поставленная цель достигается тем,

что в частотно-регулируемый электропривод с широтно-импульсной модуляцией, содержащий электродвигатель, подключенный к преобразователю, управляющие входы которого соединены с

выходами блока модуляции, состоящего из группы однотипных ячеек по две ячейки на каждую фазу электродвигателя и содержащего по два элемента И в каждой ячейке, первые входы которых

соединены с соответствующими выходами распределителя импульсов, задающий генератор, соединенный через делитель частоты, двоичный счетчик с распределителем импульсов, введены

5 реверсивный счетчик, преобразователь кода в длительность импульса с. прямым и инверсным выходами, а каждая ячейка блока модуляции дополнена элементом или, причем первый вход реверсивного счетчика соединен с выходом задающего генератора, а второй вход - с выходом первого разряда двоичного счетчика, выходы разрядов реверсив- ного счетчика соединены с входами преобразователя кода в длительность импульса, прямой выход которого соединен с вторыми входами первых элементов И всех ячеек блока модуляции, а инверсный выход - с вторыми входами вторых элементов И всех ячеек блока модуляции, выходы элементов И каждой ячейки попарно подключень к входам соответствующих элементов ИЛИ, выходы которых являются выходами блока модуляции .

На фиг.1, приведен пример структурной схемы частотно-регулируемого электропривода с широтно-импульсной модуляцией; на фиг.2 - диаграммы напряжений и кода в различных точках схемы согласно нумерации точек по фиг.1. .

Частотно-регулируемый электропри вод содержит трехфазный электродвигатель 1 переменного тока, преобразователь 2 в виде трехфазного мостового инвертора, блок 3 модуляции, содержащий шесть однотипных ячеек, в каждую

из которых входит по два элемента И 4 и один элемент ИЛИ 5, задающий генератор 6, делитель 7 частоты, двричный счетчик 8, распределитель 9 импульсов, содержащий дешифратор 10 и шесть эле-35 ментов ИЛИ 11, реверсивный счетчик| преобразователь 13 кода в длительность .импульса, содержащий вспомогательный генератор 14 (частота которого не менее, чем в К раз больше частоты за- дающего генератора 6), ключ 15, управляемый 16 и неуправляемый 17 делители частоты, триггер 18 с прямым и инверсным выходами, являющимися выходами преобразователя кода в длительность импульсов. Коэффициент деления делителя 17 выбирается равным К.

Задающий генератор 6 через преобразователь 2 и блок 3 модуляции соединен с электродвигателем 1 двумя параллельными цепями, одна из которых состоит из последовательно включенных делителя 7 частоты, двоичного счетчика 8 и распределителя 9 импульсов, а вторая - из последовательно вклю- чанных реверсивного счетчика 12 и преобразователя 13 кода в длительность импульса. Выход первого разряда JO t5

20

25

30

, 35 ь ичного счетчика 8 соединен с вторым входом 19 реверсивного счетчика 12. Выходы дешифратора 10 объединены попарно при помощи элементов ИЛИ 11, являются выходами распределителя 9 импульсов и соединены с первыми входами элементов И 4 блока 3 модуляции, причем первый выход распределителя 9 импульсов соединен с первым входом первого элемента И 4 первой ячейки блока 3 модуляции и с первым входом второго элемента И 4 шестой ячейки блока 3 модуляции, второй выход распределителя 9 импульсов соединен с первым входом второго элемента И 4 первой ячейки и с первым входом первого элемента И 4 второй ячейки блока 3 модуляции и т.д. Прямой выход триггера 18 соединен с вторыми входами первых элементов И 4, а инверсный выход - с вторыми входами вторых элементов И 4 всех ячеек блока 3 модуляции .

Первый вход реверсивного счетчика 12 соединен с выходом задающего генератора 6, а выходы разрядов реверсивного счетчика I2 соединены с входами соответствующих разрядов управляемого делителя 16, выход переполнения которого соединен с инверсным входом триггера 18. С прямым входом триггера 18 соединен выход переполнения неуправляемого делителя 17 частоты. Вход последнего непосредственно, а вход управляемого делителя 16 частоты через ключ 15 соединены с выходом вспомогательного генератора 14. Управляющий вход ключа 15 соединен с прямым выходом триггера 18.

Устройство работает следующим образом.

Выходные импульсы задающего генератора 6 (диаграмма 20 на фиг,2) после деления их частоты делителем 7 поступают на счетный вход двоичного счетчика 8. Выход первого разряда двоичного счетчика 8 (диаграмма 21) подается на второй вхрд управления реверсом реверсивного счетчика 12 и периодически меняет направление счета (сложение или вычитание) этого счетчика. В результате выходной код реверсивного счетчика 12 периодически неняется от нуля до величины, равной полной емкости счетчика, и обратно (диаграмма 22). Периодически меняющийся код реверсивного счетчика вводится в соответствующие разряды управляемого делителя 16 и периодически меняет его коэффициент деления от нуля до величины, равной полной емкости управляемого делителя частоты 16 (для конкретности примем ее равной десяти). На вход управляемого делителя 16 частоты поступают импульсы вспомогательного генератора 14 через ключ 15. Ключ 15 открывается каждым импульсом переполнения неуправляемого делителя 17 частоты, коэффициент деления которого постоянен и для конкретности принят равным десяти, устанавливающим триггер 18 в,единичное состояние, и закрывается импульсом лереполнения управляемого делителя 16 частоты, устанавлива ющим триггер 18 в нулевое состояние. Каждым импульсом переполнения делителя I7 частоты (в нашем случае через каждые де- 20 чившееся в результате объединения

сять импульсов вспомогательного генератора 14) триггер 18 устанавливается в единичное состояние и записывается код в управляемый делитель 16 частоты. В зависимости от записанного числа меняется количество импульсов, переполняющих этот делитель. Так, например, если в управляемый делитель 16 записано число, равное единице, то первый же входной импульс приведет к переполнению делителя, выработает импульс переполнения на его выходе и возвратит триггер 18 в нулевое состояние, заперев Одновременно ключ 15. В результате время нахождения триггера 18 в единичном состоянии составит десятую долю периода. Если в управляемый делитель 16 записано число, равное двум, то делитель переполнится после прихода двух входных импульсов и относительная длительност выходного импульса триггера 18 будет составлять 0,2.

По мере изменения кода на выходе реверсивного счетчика 12 будет меняться длительность импульса на прямом выходе триггера 18 от нуля до длительности, равной периоду, когда реверсивный счетчик 12 работает в режиме сложения, и от полной длительности до нуля, когда реверсивный счетчик 12 работает в режиме вычитания (диаграмма 23). На инверсном выходе триггера 18 длительность импульса меняется по обратному закону (диаграмма 24).

Напряжение с прямого выхода триггера 18 поступает на вторые входы первых элементов И 4 всех ячеек блока

3 модуляции, напряжение с инверсного выхода триггера 18 поступает на вторые входы вторых элементов И 4 всех ячеек блока 3 модуляции.

На первые входы элементов И 4 блока 3 модуляции поступают напряжения с выхода распределителя 9 импульсов, причем первое выходное напряжение распределителя импульсов (диаграмма

25), получившееся в результате объединения первым элементом ИЛИ I1 напряжений с первого и второго выходов дешифратора 10., подаются одновременно на первый вход первого элемента

И 4 первой ячейки блока 3 модуляции и на лервый вход второго элемента И 4 шестой ячейки блока 3 модуляции. Второе выходное напряжение распределителя импульсов (диаграмма 26), полу5

0

5

0

5

0

5

вторым элементом ИЛИ 11 напряжений с второго и третьего выходов дешифратора 10, подается одновременно на первый вход второго элемента И 4 первой ячейки блока модуляции и на первый вход первого элемента И 4 второй ячейки блока модуляции и т.д.. Выходные напряжения первых и вторых элементов И 4 каждой ячейки объединены при помощи элементов ИЛИ 5 и являются выходными напряжениями блока модуляции ,

Рассмотрим процесс формирования выходного напряжения одной из ячеек (например первой) блока 3 модуляции, остальные ячейки работают аналогично.

На отрезке времени .ci- 6 (фиг.2) реверсивный счетчик 12 работает в режиме сложения, его выходной код и длительность импульса на прямом выходе триггера 18 равномерно увеличиваются (диаграммы 22, 23). На первый вход первого элемента И 4 первой ячейки блока 3 модуляции в это время подается единичное напряжение (диаграмма 25), которое разрешает прохождение через этот элемент И 4 импульсов с прямого выхода триггера 18. На первый вход второго элемента И 4 первой ячейки блока модуляции в это время разрешающее напряжение не подается (диаграмма 26), поэтому на отрезке времени о - б на выход первой ячейки блока модуляции проходят импульсы только с прямого выхода триггера 18, длительность которых увеличивается. В результате на выходе пер713

вой ячейки блока модуляции на отрезке времени л- 5 формируется восходящая часть трапеции (диаграмма 27), длительность импульсов на этом участке. меняется от нуля до длительности, равной периоду.

На отрезке времени (5-6 единичное разрешающее напряжение подается одновременно на первые входы первого и второго элементов И 4 первой ячейки блока (диаграммы 25 и 26). Через первую ячейку разрешается прохождение импульсов с прямого выхода триггера 18, длительность которых в это время уменьшается, а через вторую - с инверсного выхода триггера 18, длительность которых увеличивается. В это время на выходе первой ячейки вырабатывается постоянное напряжение, величина которого равна полной амплитуде импульса, так как в любой момент времени одно из входных напряжений (на первой входе первого или второго элемента И 4) равно единице. Б результате на выходе первой ячейки на отрезке времени 5-в формируется плоская часть трапеции в виде постоянного напряжения (диаграмма 27).

Ыа отрезке времени 6-г на первый вход первого элемента И 4 первой ячейки блока модуляции разрешающее напряжение не подается (диаграмма 25) и на выход первой ячейки проходят импульсы только с инверсного выхода триггера 18, длительность которых на этом отрезке уменьшается (диаграмма 24). В результате на выходе первой ячейки на отрезке времени е- г формируется спадающая, часть трапеции (диаграмма 27), длительность импульсов на этом участке меняется от величины, равной периоду, до нуля.

Б оставшуюся часть периода на участках г- Э-е -я разрешающие напряжения на первых входах первого и второго элементов И 4 равны нулю (диаграммы 25, 26), выходное напряжение первой ячейки блока модуляции

7 -8

на этой части периода также равно нулю (диаграмма 27).

Аналогично формируются напряжения на вьпсодах остальных ячеек блока 3

модуляции. На выходе второй ячейки вырабатывается напряжение (диаграмма

28), фаза которого сдвинута на 180 относительно выходного напряжения первой ячейки. На выходах третьей и

четвертой ячеек вырабатываются два противофазных напряжения (диаграммы 29, 30), сдвинутых относительно первой пары напряжений на 120. На выходах пятой и шестой ячеек вырабатываются два противофазных напряжения

(диаграммы 31, 32), сдвинутых относительно первой пары напряжений на 240. После усиления по мощности мостовым инвертором преобразователя 2

трехфазное напряжение в виде импульсных последовательностей с коэффициентом заполнения, меняющимся по трапецеидальному закону, поступает на фазные обмотки двигателя. Б результате

усреднения импульсного наи ряжения . индуктивным сопротивлением через обмотки каждой фазы двигателя протекает ток, средняя величина которого меняется по трапецеидальному закону пропорционально изменению коэффициента заполнения входного импульсного напряжения .

Выполнение частотно-регулируемого электропривода согласно изобретению

обеспечивает формирование многофазного трапецеидального напряжения, форма которого в зонах перехода через нуль соответствует синосуидальному напряжению, а нестабильность частоты

равна нестабильности частоты задающего генератора. Кроме того, в предложенном электроприводе используются только импульсные и цифровые элементы без применения цифроаналоговых преобразователей и аналоговой техники. Кроме упрощения конструкции, повышения ее надежности и точности, такое построение электропривода обеспечивает простое сочленение с цифровыми

зшравляющими устройствами.

20 nilllUnnitlllillllllllHiliiiiiiUiiL

/11Г

гв II

гбI

Редактор М.Келемеш

Составитель В.Тарасов

Техред И.Попович Корректор А.Обручар

Заказ 1900/54Тираж 661 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

1ШШ1ШШИШЛ

сриг.г