Устройство для управления электродвигателем переменного тока Советский патент 1987 года по МПК H02P7/42 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления электродвигалями переменного тока, в частности трехфазными и четырехфазными шаговыми электродвигателями.

Целью изобретения является расширение области применения как на четырехфазные, так и на двух-трехфа ные электродвигатели.

На фиг, 1 представлена структурная схема устройства для управления электродвигателем перемнного тока; на фиг. 2 - схема вйявителя; на фиг. 3 - схема управляемого коммутатора; на фиг. А и 5 - временные ди- arpaMVbi, поясняющие работу устройства.

Устройство для управления электродвигателем переменного тока содержит выявитель 1 модуля и знака входного сигнала, управляемый переключатель 2, делитель 3 напряжения, интегратор 4, первый 5 и второй 6 релейные элементы, первый 7 и второй 8 пороговые элементы, управляемый коммутатор 9, управляемый ключевой элемент 10, первый II и второ 12 диоды, первый 13, второй 14 и третий 15 усилители мощности. Первый выход выявителя 1 модуля и знака входного сигнала через управляемый переключатель 2 и делитель 3 напряжения подключен соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам интегратора 4, а второй выход выявителя 1 модуля и знака входного сигнала соединен с управляющим входом управляемого коммутатора 9. Выход интегратора 4 соединен непосредственно с входом второго релейного элемента бис первыми входами первого 7 и второго 8 пороговых элементов и через первый релейный элемент 5 с управляющим входом управляемого переключателя 2 и с входом первого усилителя 13 мощности.

Выход второго релейного элемента 6 подключен к первому входу управляемого коммутатора 9 и к силовому входу управляемого ключевого элемента 10, выход которого через первый диод 1I соединен с вторым входом управляемого коммутатора 9. Выход первого порогового элемента 7 через второй диод 12 соединен с вторым входом управляемого коммутатора 9, выходы которого подключены к

fO

входам соответственно второго 14 и третьего 15 усилителей мощности. Выход второго порогового элекента 8 соединен с управляющим входом управляемого ключевого элемента 10, Выходы усилителей 13, 14 и 15 мощности предназначены для подключения к фазным обмоткам электродвигателя, а вторые входы первого 7 и второго 8 пороговых элементов - для подключения к соответствующим источникам опорных напряжений.

Выявитель I модуля и знака входного сигнала содержит сумматор 16 и 15 диодный ключ 17. Объединенные вход сумматора 16 и диодного ключа 17 образуют вход выявителя I модуля и знака входного сигнала, а выходы сумматора 16 и диодного ключа 17 20 являются соответственно первым и вторым выходами выявителя I модуля и знака входного сигнала. Сумматор 16 выполнен на операционном усилителе (СУ) 18 с входными резисторами 25 19 и 20 и резистором 21 обратной связи. Диодный ключ 17 содержит операционный усилитель 22 с диодом 23 и резистором 24 в цепи основной отрицательной обратной связи (ООС), 30 входной резистор 25, нелинейную отрицательную обратную связь, состоящую из стабилитрона 26, диода 27 и резистора 28 смещения, предотвращающую насыщение операционного усили- аг теля 22 при отрицательных входных сигналах, когда цепь основной отрицательной обратной связи с диодом 23 разрывается.

Кроме того, операционный усили- 0 тель 22 охвачен положительной обратной связью (ПОС) на резисторах 29 и 30, обеспечивающей скачкообразное изменение напряжения на выходе диодного ключа 17, образованном ка- 5 тодом диода 31, анод которого подключен к выходу операционного усилителя 22.

На фиг. 3 приведена схема управляемого коммутатора 9, содержащего управляемые ключи 32 - 35 с общей цепью 36 управления, первым 37 и вторым 38 входами. Ключи 32 и 35 являются нормально замкнутыми, а ключи 33 и 34 - нормально разомкнутыми. Нормальное (исходное) состояние ключей соответствует нулевому управляющему напряжению в цепи 36 управления.

31

Устройство для управления электродвигателем переменного тока работает следующим образом.

При управлении 3-фазным двигателем в исходном состоянии при отсут- ствии входного сигнала устройство находится в заторможенном состоянии При Uj О напряжения Ua и U на выходах диодного ключа (на аноде дида 23) и сумматора 16 равны нулю, вследствие чего интегратор 4 не изменяет своего выходного напряжения и находится в насьпдении. Поэтому релейные элементы 5 и 6 и пороговые элементы 7 и 8 не переключаются и н две или одну из трех обмоток двигателя подается напряжение. Так, если ;интегратор 4 находится в состоянии положительного насыщения, то на выходе первого релейного элемента 5 действует единичный сигнал (положительное напряжение), включающий обмотку 1, подсоединенную к неинвертирующему выходу усилителя 13 мощности. При этом второй релейный эле- мент 6 устанавливается в нулевое положение, а пороговые элементы 7 и 8 - в единичное, в результате чего в зависимости от положения управляемого коммутатора 9 включается об- мотка управления, подсоединенная к усилителю 14 или 15 мощности. Если же интегратор 14 находится в состоянии отрицательного насыщения, то певый релейный элемент 5, пороговые элементы 7 и 8 устанавливаются в нулевое положение, а второй релейный элемент 6 - в единичное. Это приводит к размыканию управляемого ключевого элемента 10 и в зависимо- сти от положения коммутатора 9 одна из обмоток управления (II или III) оказывается под током, (Обмотка I на выходе усилителя 13 мощности в этом случае обесточена),

Таким образом, при положительном насыщении интегратора 4 две из трех обмоток двигателя находятся под током, а при отрицательном насыщении под током оказывается одна обмотка. Независимо от числа обмоток, находящихся под током, при отсутствии входного сигнала двигатель, подключенный к устройству управления, остается в заторможенном состоянии, поскольку его обмотки управления не переключаются.

Рассмотрим работу устройства при наличии входного сигнала Ujj . Пусть

134

Ug О, В этом случае на выходе ОУ 18 возникает положительное напряжение, под действием которого замыкается ПОС через резисторы 19 и 20 и нелинеГшая ООС через стабилитрон 26 и диод 27. В результате на втором выходе выявителя 1 модуля и знака входного сигнала появляется положительное напряжение U2« примерно равное опорному напряжению стабилитрона 26, Это напряжение управляет коммутатором 9, устанавливая его в положение, при котором замыкаются ключи 33 и 34 и размыкаются ключи 32 и 35. В результате первый вход коммутатора 9 (фиг. 3) соединяется с входом усилителя 15 мощности, а второй вход - с входом усилителя 4 мощности. Поскольку напряжение Uo О (диод 23 не проводит), напряжение U на первом выходе выявителя 1 модуля определяетс выражением

и

511 ,, Ri9 8х.

где , R2 - сопротивления резисторов 19 и 21,

При R,9 Rji и IUgj| , Напряжени и поступает на интегратор 4, причем в зависимости от состояния переключателя 2 происходит линейное увеличение или уменьшение выходного напряжения интегратора U, Так, если первый релейньШ элемент 5 находится в единичном состоянии, поло жительное напряжение U, поступая на оба входа интегратора 4, доминирует на его инвертирующем входе, посколь ку на его неинвертирующем входе включен резистивный делитель 3, Поэ тому выходное напряжение UK интегратора 4 убывает до порога отпускания U- релейного элемента 5

(временные диаграммы на фиг. 4). I

В момент времени t, , когда U достигает значения Uj, релейный элемент 5 переходит в нулевое состоя- кие, при котором переключатель 2 переключается. При этом напряжение и через делитель 3 поступает только на неинвертируюпшй вход интегратора 4, что изменяет направление интегрирования, и выходное напряжение U(, интегратора 4 начинает увеличиваться. Напряжение U достигает в

момент времени t- порога срабаты и

вания Uj., после чего первый релейный элемент 5 вновь устанавливается

5

в единичное состояние и процесс повторяется.

При одинаковых резисторах делителя 3 напряжения скорость убывания и нарастания напряжения U на выходе интегратора 2 одинакова. Поэтому при выполнении равенства lUyl IUj/ Uf интервалы времени нарастания и убывания напряжения и„ равны, и на выходе интегратора 4 возникают симметричные колебания треугольной формы. Скорость изменения напряжения U на выходе интегратора 4 определяется током заряда ij (разряда ip) конденсатора интегратора 4.

Частота колебаний f напряжения IJy прямо пропорционально напряжению

входного сигнала I). ,

Выходное напряжение первого реле ного элемента 5, поступающее на вхо усилителя 13 мощности и также изменяющееся с частотой f, используется для управления (коммутации) первой обмотки управления (I) двигателя.

В процессе изменения напряжения Uy происходит переключение второго релейного элемента 6 и пороговых элементов 7 и 8 в соответствии с временными диаграммами, показанными на фиг. 4. Так, второй релейный элемент 6, формирующий второе управляющее напряжение (U,-j), устанавливается в единичное состояние, когда напряжение U достигает порога срабатывания и , и переходит в нулевое состояние, когда (J рапно порогу отпускания П. Пороги u и U выбираются исходя из требуемого фазового сдвига (/ между первым (U ) и вторым (U-) управляющими напряжениями.

ti

Для 3-фазного двигателя при I/ 120 необходимо обеспечить

|и I т. Моменты переключени

пороговых элементов 7 и 8 определяются уставками U и U, причем для получения третьего управляющего напряжения (tJ|7,), сдвинутого относительно второго (и,1-) на 120°, должны

выполняться условия и 01 -- и

° J

и и - Г-. Положительный полупе-

риод третьего управляющего напряжения (и,7-,), формируемого на втором входе управляемого коммутатора 9,

50

127136

складывается из двух последовательных интервалов времени С, и Г . В интервалах С , когда % первый пороговый элемент 7 вырабатывает по- - ложительное напряжение, которое через второй диод 12 поступает на второй вход коммутатора 9. В этих интервалах второй пороговый элемент 8 также находится в единичном состо- JQ янии, благодаря чему управляемый ключевой элемент 10 замыкается. Однако первый диод 1I не пропускает отрицательное напряжение с выхода второго релейного элемента 6 на вто- J5 рой вход коммутатора 9. В интервалах времени Т на тот же вход коммутатора 9 через первый диод 1 1 и клю- «- чевой элемент 10, замыкаемый единичным сигналом второго порогово- 20 го элемента 8, поступает положительное напряжение с выхода второго релейного элемента 6.

Таким образом, на входах коммутатора 9 действуют второе (Ujj) и тре- 25 тье (и,7|) управляющие напряжения, изменяющиеся с частотой, пропорциональной входному напряжению Ug...

Рассмотрим работу устройства при подаче на вход положительного сигна- 30 ла Ugjj.. При этом происходит скачкообразное изменение сигнала U на выходе выявителя 1 модуля и знака входного сигнала. Этот скачок из единичного состояния в нулевое обус- ,, ловлен появлением на выходе ОУ 22 отрицательного напряжения, которое не проходит через диод 31. На пер- вом выходе выявителя 1 по-прежнему действует положительное напряжение 40 Отрицательное напряжение на выходе ОУ 22 открывает диод 23 и ОУ 22 охватывается ООС через этот диод и резистор 24.

Напряжения Ug ни на выходах 4 диодного ключа 17 и сумматора 16 определяются выражениями

R24

9 525 вг При R29 влиянием ПОС пренебрегаем

Г -/511- . Bit §11VII

пик 64

Rjo RZS Rl9

Если выполняется условие

52f RjgRjj

и

ТО напряжение

71

и при Rj имеем U « Ug. Поэтому работа устройства при положительном входном сигнале происходит так же, как и в рассмотренном выше случае, когда Ug 0. Отличие состоит лишь в том, что при и О коммутатор 9 устанавливается в положение, при котором замыкаются ключи 32 и 35, а ключи 33 и 34 размыкаются. В результате второе управляющее напря жение (Ufj) прикладывается к входу усилителя 14 мощности, а третье (U||,) - к усилителю 15 мощности, и обмотки управления двигателя переключаются в прямой последовательное- ти 1-1,11-11-11, III-III-l lI, I,... и т.д., что обеспечивает изменение направления вращения двигателя. Скорость вращения двигателя, пропорциональная частоте f коммутации об- моток управления, по-прежнему изменяется прямо пропорционально входному напряжению Ug.

Работа устройства в режиме управления 4-фазным двигателем происходит следующим образом.

Напряжение на выходе интегратора 4 Ь ц опережает напряжение Uj первого релейного элемента 5 на угол ТГ/2 (фиг. 4), а напряжение U на выходе второго релейного элемента 6 при нулевых порогах переключения этого элемента находится в противо- фазе с напряжением U, интегратора 4 Поэтому между напряжениями U и U на всех частотах сохраняется фазовый сдвиг Ti/2. Напряжения U и Ug на выходах пороговых элементов 7 и 8 при нулевых уставках U, U совпадает по фазе с напряжением U ин- тегратора 4 и, следовательно, опережают напряжение Ug на /2. Выходное напряжение U, используется для управления I и II фазами двигателя

Управление II и IV фазами двига- теля осуществляется иапряжениями с выходов Вых1, Вых2 коммутатора 9, на входы которого поступают сигналы U/ и и, - причем управляемый ключевой элемент 10 в положительные полупериоды напряжения U разомкнут так как управляющее напряжение Ug поступающее на его управляющий вход в эти полупериодь отрицательно. Следовательно, коммутации обмоток уп- давления II и IV осуществляется двумя противофазными напряжениями, одно из которых (и,) опережает V на угол /2, а другое (U) отстает

38

от Uj на , При этом, если U О (ключи 32 и 34 замкнуты), то обмотка II переключается под действием напряжения U, обмотка IV - под действием и, благодаря чему обеспечивается прямой порядок коммутации обмоток управления IV, 1-1,11-11, Ill-Ill,IV-,... и т.д.

Таким образом, изобретение позволяет управлять как 3-фазными, так и 4-фазными электродвигателями переменного тока, причем изменение фаз- ности выходного напряжения устройства достигается лишь при изменении напряжений уставок, а частота и направление вращения подключенных к нему электродвигателей определяется амплитудой и знаком входного сигнала.

Формула изобретения

Устройство для управления электродвигателем переменного тока, содержащее выявитель модуля и знака входного сигнала с двумя выходами, первый выход которого через управляемый переключатель и делитель напряжения подключен соответственно к инверти- .рующему и неннвертирующему входам интегратора, выход которого соединен с входом первого релейного элемента, три усилителя мощности, выходы которых предназначены для подключения к фазным обмоткам электродвигателя, вход первого усилителя мощности соединен с выходом первого релейного элемента и с управляющим входом управляемого переключателя, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения как на четырехфазные,. так и на двух-трехфазные электродвигатели введены второй релейный элемент, два пороговых элемента, управляемый ключевой элемент, два диода и управляемый коммутатор, первый усилитель мощности снабжен инверсным выходом, вход второго релейного элемента н первые входы первого и второго пороговых элементов объединены и подключены к выходу интегратора, второй выход выявителя модуля и знака входного сигнала подключен к управляющему входу управляемого коммутатора, выход BTOpoVo релейного элемента соединен с первым входом управляемого коммутатора и с силовым входом управляемого кттюиевого элемента

9I

, выход которого через первый диод соединен с вторым входом управляемого коммутатора, выходы которого соединены с входами соответственно второго и третьего усилителей мощности, выход первого порогового элемента через второй диод соединен с вторым входом управляемого коммута31271310

тора, выход второго порогового элемента подключен к управляющему входу управляемого ключевого элемента, вторые входы первого и второго по- 5 роговых элементов предназначены для подключения к соответствующим источникам опорных напряжений.

о

S2

7

/f7S

Фиг. 2

Гч

%

(Ih

UB

Oi)

u

(Us)

9 Bn2

Wl1

(i

Составитель С. Позднуков Редактор А. Шандор Техред Л.Сердюкова Корректор А. Тяско

Заказ 1978/54 Тираж 661Подписное

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

J t

A/a5

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления электродвигателями переменного тока, в частности трехфазными и четырехфазными шаговыми электродвигателями. Целью изобрете- ВИЯ является расширение области применения. Поставленная цель достигается введением второго релейного элемента 6, двух пороговых элементов 7,8, управляемого коммутатора 9 и управляемого ключевого элемента 10. Устройство позволяет управлять как 3-фазными, так и 4-фазными электродвигателями, причем изменение фазности выходного напряжения устройства достигается лишь за счет изменения напряжения уставок, подаваемых на релейные и пороговые элементы. Частота и направление вращения подключенных к устройству электродвигателей определяется амплитудой и знаком входного сигнала, подаваемого на выявитель 1 модуля и знака входного сигнала. 5 ил. (Л оо со (S)