Устройство для управления двухфазным асинхронным электродвигателем Советский патент 1992 года по МПК H02P1/42 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электрома- шинных системах автоматики для стабилизации и контроля частоты вращения вала.

Для приведения масс в горизонтальное или вращательное движение с постоянной скоростью от двухфазного асинхронного электродвигателя необходимо устройство, которое бы обеспечивало стабилизацию частоты вращения ротора с минимальными аппаратурными затратами и осуществляло автоматический контроль за поддержанием уровня средней скорости вращения, выдавая сигнал о нарушении стабилизации.

Известны устройства для управления двухфазным электродвигателем асинхронного типа, см. описания авт.св. СССР № 646409 и № 1300621, кл. Н 02 Р 7/36.

Известное устройство для управления двухфазным асинхронным электродвигателем (авт. св. N° 1300621) содержит диодно- транзисторный ключ переменного тока в цепиобмотки управления, фазосдвигающий конденсатор в цепи обмотки возбуждения,

блок гальванической развязки и усиления импульсов управления, датчик входного сигнала, индикатор входного сигнала, индикатор полярности входного сигнала, блок пилообразных напряжений, блок абсолютных значений входного сигнала, блок сравнения, блок определения моментов включения диодно-транзисторного ключа, индикатор частоты вращения ротора, блок формирования импульсов управления ключевым элементом и логические элементы.

Однако схема приведенного аналога сложна в построении и не осуществляет стабилизацию частоты вращения ротора. При включении диодно-транзисторного ключа происходит постоянное потребление электроэнергии фазовых обмоток и вращение ротора. Отключение этого ключа связано с процессом динамического торможения и последующим автоматическим отключением асинхронного электродвигателя от ис; точника переменного напряжения при полной остановке ротора.

Из известных устройств для управления двухфазным асинхронным электродвигателем наиболее близким по технической сущности является прототип, приведенный в описании авт.св. СССР N 1254575, кл, Н 02 Р 5/06, который содержит блок датчиков, два усилителя-формирователя, два RS- триггера, опорный генератор, два делителя частоты, формирователь импульсов, интегратор, управляемую схему задержки, фазовый детектор и сумматор.

Схема приведенного прототипа сложна в построении и ненадежна. В этом устройстве показан выход частоты импульсных сигналов с коррекцией погрешности изготовления датчика. Причем коррекция обеспечивает отдельный момент процесса стабилизации скорости электродвигателя и не учитывает изменения параметров питающего напряжения, нагрузки, температурных условий и т.д. В известном устройстве нет блоков согласования скорости электродвигателя с устройством индикации или нагрузки на валу, что позволило бы расширить функциональные возможности устройства.

Целью изобретения является повышение надежности и расширение функциональных возможностей устройства.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для управления двухфазным асинхронным электродвигателем, содержащее диодно-транзисторный ключ переменного тока с узлом гальванической развязки и усиления и фазосдвигающий конденсатор, предназначенные для включения в цепи соответственно обмотки управления и обмотки возбуждения асинхронного электродвигателя, делитель частоты, первый и второй входы которого подключены соответственно к шине разрешения и к выходу генератора, два RS-триггера и датчик частоты вращения с формирователем, S-входы первого и второго RS-триггеров подключены соответственно к первому и второму выходам делителя частоты, введены IK-триггер и блок контроля с пятью входами, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой входы IK-триггера соединены соответственно с шиной разрешения, инверсны- ми выходами первого и второго RS-триггеров, первым выходом формирователя, прямыми выходами второго м первого RS-триггеров и третьим выходом делителя частоты, третий вход которого объединен с R-входами обоих RS-триггеров и подключен к второму выходу формирователя, первый выход которого соединен с первым входом блока контроля, второй и третий входы которого соединены соответственно с четвертым и пятым выходами делителя частоты, выход IK-триггера соединен с входом узла гальванической развязки и усиления, четвертый и пятый входы и выход блока контроля предназначены для соединения соответственно с шинами первого и второго кодирования и шиной неисправности. При5 чем блок контроля содержит D-триггер, элемент И-НЕ и два сумматора, выходы переноса которых подключены к входам элемента И-НЕ, выход которого подключен к D-входу D-триггера, при этом С-вход D0 триггера образует первый вход блока контроля, первые и вторые входы первого и второго сумматоров образуют соответственно второй, третий, четвертый и пятый входы блока контроля, выход D-триггера об5 разует выход блока контроля.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства для управления двухфазным асинхронным электродвигателем; на фиг. 2 - функциональная схема подключе0 ния сумматоров к делителю частоты; на фиг. 3 - схема датчика; на фиг. 4 - временные диаграммы напряжений и частоты вращения ротора.

В предлагаемом устройстве для управ5 ления двухфазным асинхронным электродвигателем (фиг.1) один конец обмотки управления асинхронного электродвигателя 1 соединен с выходом диодно-транзи- сторного ключа 2 переменного тока. Первый

0 вход ключа 2 и другой конец обмотки управления электродвигателя 1 подключены к источнику переменного напряжения Uy. Второй вход ключа 2 соединен с выходом узла 3 гальванической развязки и усиления.

5 Фазосдвигающий конденсатор 4 и обмотка возбуждения электродвигателя 1 соединег ны последовательно и свободными концами подключены к источнику переменного напряжения UB. Первый вход (разрешение) и

0 второй вход (синхронизации) делителя 5 частоты подключены соответственно к шине 6 разрешения и выходу генератора 7. S-входы первого 8 и второго 9 RS-триггеров подключены соответственно к первому и второму

5 выходам делителя 5 частоты. Ротор электродвигателя 1 механически связан с датчиком 10 частоты вращения, выход которого соединен с входом формирователя 11. Первый вход (S) IK-триггера 12 соединен с

0 шиной 6, второй и третий входы (I) соединены соответственно с инверсными выходами триггеров 8 и 9, четвертый вход (С) соединен с первым выходом формирователя 11, пятый и шестой входы (К) соединены соответствен5 но с прямыми выходами триггеров 9 и 8, седьмой вход (R) соединен с третьим выходом (переноса) делителя 5 частоты. Первый вход блока 13 контроля соединен с первым выходом формирователя 11, второй выход которого подключен к третьему входу

(уст.О) делителя 5 частоты и к R-входам триггеров 8 и 9. Второй и третий входы блока 13 подключены соответственно к четвертому и пятому (информационным) выходам делителя частоты. Выход (инверсный) триггера 12 соединен с входом узла 3. Четвертый и пятый входы и вход блока 13 предназначены для соединения соответственно с шинами первого 14 и второго 15 кодирования и шиной 16 неисправности.

Диодно-транзисторный ключ 2 состоит из диодного моста 17, в одну из диагоналей которого переходами коллектора и эмиттера, соединенного с общей шиной, подключен транзистора 18. Один из выводов второй диагонали моста 17, подключенный к источнику переменного напряжения Uy, и переход базы транзистора 18 образуют соответственно первый и второй входы ключа. Другой вывод второй диагонали моста 17 образует выход ключа.

Узел 3 гальванической развязки и усиления состоит из логического элемента НЕ 19, выход которого через резистор 20 связан с входом оптоэлектронного элемента 21, логического элемента НЕ 22. вход которого связан с выходом оптоэлектронного элемента 21, а выход - с общим выводом резисторов 23 и 24, и транзистора 25, переход базы которого связан со свободным выводом резистора 24, а переход эмиттера связан с резистором 26, подключенного к общей шине. Причем другой вход элемента 21, свободный вывод резистора 23 и переход коллектора транзистора 25 подключены к шине +Fn источника питания. Вход элемента 19 и переход эмиттера транзистора 25 образуют соответственно вход и выход узла.

Формирователь 11 состоит из операционного усилителя 27, выход которого соединен с входом логического элемента И-НЕ 28, другой вход которого соединен с выходом элемента НЕ 29, и дифференцирующей цепочки типа RC 30 и 31 . Причем общий вывод резистора 30, подключенного к общей шине, и конденсатора 31 соединен с входом элемента НЕ 29, а свободный вывод конденсатора 31 соединен с выходом элементе И- НЕ 28. Вход и выход усилителя 27 образует вход и первый выход формирователя. Выход элемента НЕ 29 образует второй выход формирователя.

В примере функциональной схемы делителя 5 частоты (см. фиг.2) содержится двоичный счетчик 36 и подключенные к его информационным выходам первый 37, второй 38 и третий 39 логические элементы И-НЕ. Выходы элементов И-НЕ 37 - 39 образуют соответственно первый, второй и третий выходы делителя частоты.

Примером датчика 10 может служить узел (см. фиг.З), содержащий светонепрони- цаемый диск 40 с прорезью, который закрепляется на валу ротора, индикатор единичный 41 с ограничительным по току резистором 42 и фотодиод 43.

Блок 13 контроля (см. фиг.1) состоит из

0 D-триггера 32, первого 33 и второго 34 сумматоров комбинационного типа, выходы которых соединены с входами логического элемента И-НЕ 35, выход последнего соединен с D-входом D-триггера 32, С-вход D5 триггера 32 образует первый вход блока, первые и вторые входы сумматоров 33 и 34 образуют соответственно второй, третий и четвертый, пятый входы блока. Выход D- триггера 32 образует выход блока.

0 Сведения о двухфазном асинхронном электродвигателе приведены в кн. Чечета Ю.С. Электрические микромашины автоматических устройств. - М.: Госэнергоиздат, 1957, с. 15-19, рис. 1-3 и 1-5.

5 В качестве примера генератора эталонной частоты может служить схема кварцевого генератора, приведенная в статье Кафизова В.И. Универсальный делитель частоты на интегральных схемах. - Судостро0 ение, 1987, № 12, с. 23, 24, рис. 4.

Примеры логических элементов НЕ, И- НЕ, IK-триггера, D-триггера, сумматора и двоичного счетчика приведены в кн. Интегральные микросхемы: Спразочник/Б.В.Та5 рабрин, Л.Ф.Лунин, Ю.Н.Смирнов и др.: Под ред. Б.В.Тарабрина - М.: Радио и связь, 1983, с. 58-102, микросхемы серии К155, КМ155.

Пример индикатора единичного приве0 ден в кн. Вуколова Н.И. и Михайлова А.Н. Знакосинтезирующие индикаторы: Справочник/Под ред. В.П.Балашова. - М.: Радио и связь, 1987, с. 158-161.

Пример оптоэлектронного элемента

5 приведен в кн. Микроэлектроника, вып. 7: Под ред. ААВасенкова - М.: Сов. радио. 1974. с.210-221.

Примеры операционных усилителей приведены в кн. Нестеренко Б.К. Интеграль0 ные операционные усилители: Справочное пособие по применению- М.: Энергоиздат. 1982.

Устройство работает следующим образом.

5 Пусть на фазовые обмотки управления и возбуждения асинхронного электродвигателя 1 подаются соответственно напряжения Uy и ив, например, от трансформатора, подключенного к однофазной сети переменного напряжения, Генератор вырабатывает импульсы эталонной частоты f3. При наличии на шине 6 разрешения сигнала лог. О синхровход делителя 5 частоты закрыт и I«-триггер 12 находится в единичном состоянии - с его выхода снимается сигнал лог.О. На выходе узла 3 гальванической развязки и усиления присутствует сигнал лог. О, который держит в закрытом состоянии диодно-транзисторный ключ 2 переменного тока. Электродвигатель 1 отключен.

При поступлении на шину 6 сигнала лог. 1 происходит циклическое заполнение делителя 5 частоты последовательностью импульсов fa. В первом цикле на выходе переноса делителя 5 частоты появляется импульс Un переполнения, который перебрасывает триггер 12 в нулевое состояние - на его выходе возникает сигнал лог. 1 (см. фиг.4г, UT). Тогда на выходе узла 3 появляется сигнал, который открывает ключ 2 (см. фиг. 4д, Uioi), и включает обмотку управления электродвигателя 1 (см. фиг. 4е). Ротор начинает вращаться и каждый оборот вала фиксируется датчиком 10 частоты вращения. Формирователь 11 формирует с датчика 10 импульсные сигналы Uo.c. обратной связи (см. фиг. 4в), которые опрашивают триггер 12 и блок контроля 13, а после этого устанавливают RS-триггеры 8 и 9 и делитель 5 частоты в начальные состояния. Поэтому в последующих циклах заполнения импульсов fs импульс Un не появляется. В каждом цикле на S-входы триггеров 8 и 9 с делителя 5 частоты поступают соответственно импульсы частоты fs верхнего (см. фиг.4а, Us) и импульсы частоты нижнего (см. фиг.4б, DH), пределов регулирования, которые устанавливают их в единичные состояния. Начинается процесс разгона вращения ротора (см. фиг. 4ж) и возрастает частота fo.c. импульсов обратной связи (см. фиг. 4в). Электродвигатель 1 остается включенным пока при появлении импульса U0.c. делитель 5 частоты успевает установить триггеры 8 и 9 в единичные состояния,

На частоте вращения ротора верхнего предела, когда то.с.в, при появлении сигналов лог. 1 на (-входах триггер 12 устанавливается в единичное состояние импульсом Uo.c. - на его выходе появляется сигнал лог. О (см, фиг.4г). В этом случае узел 3 запирает ключ 2 (см. фиг, 4д) и обмотка управления электродвигателя 1 отключается (см. фиг.4е). Происходит обратный процесс - плавное торможение вращения ротора за счет трения вала в подшипниках (см. фиг. 4ж) и уменьшение частоты f0.c. (см. фиг. 4в). Электродвигатель 1 остается отключенным пока при появлении Uo.c. делитель 5частоты

еще не успевает установить триггеры 8 и 9 в единичные состояния.

На частоте вращения ротора нижнего предела, когда то.с.тн, при появлении сигналов лог. 1 на К-входах триггер 12 устанавливается в нулевое состояние импульсом Uo.c. - на его выходе появляется сигнал лог. 1 (см. фиг. 4г). Ключ 2 открывается (см. фиг. 4д) и выключается обмотка управления электродвигателя 1 (см. фиг.4е). Снова происходит процесс разгона вращения ротора (см. фиг. 4ж). Цикл повторяется и так далее.

Как видно (см.фиг. 4ж), регулирование скорости пст вращения вала происходит в

узком коридоре. Значит за границами коридора существует две области, в которых устройство находится в режиме неисправности. Поэтому в блоке контроля 13 первый сумматор 33 производит сложение текущего

прямого двоичного кода NI делителя 5 частоты с постоянным двоичным кодом Ni шины 14 первого кодирования, а второй сумматор 34 производит сложение текущего обратного двоичного кода Nj с постоянным

прямым двоичным кодом N2 шины 15 второго кодирования. Если , то сумматор 33 выдает сигнал переноса - лог. О. Это означает, что отклонение вращения вала составляет больше допустимого о , то есть fo.c.fi.

Если , то сумматор 34 выдает сигнал переноса - лог. О. Это означает, что отклонение вращения вала составляет меньше допустимого (f, то есть f0.c.f2. Каждый сигнал переноса сумматоров 33 и 34 инвертируется логическим элементом И-НЕ 35 и на D-вход D-триггера 32 поступает сигнал лог. 1, После этого импульсом U6.с. триггер 32 устанавливается в единичное состояние, выдавая на выход устройства сигнал лог. 1

- неисправность, используемый для индикации или сигнализации, а также в процессах автоматического регулирования. Сигнал неисправности возникает в начале разгона электродвигателя 1 или при неустойчивой

работе (отказов) отдельных элементов. Как только на D-вход триггера 32 поступит сигнал лог.0, то импульсом Uo.c. триггер 32 снова устанавливается в нулевое состояние, выдавая на выход устройства сигнал

лог. О - исправность.

Частота f3 генератора 7 выбирается из соображения того, чтобы одному периоду срабатывания датчика 10 при стабилизации скорости пст соответствовало бы определенное число N3 импульсов, заполняющих делитель 5 частоты, п - максимальная скорость вращения ротора.

Как правило, стабилизация скорости пст электродвигателя 1 осуществляется в задан

ных пределах {например,±3%). Поэтому задаются коды NB верхнего и NH нижнего пределов заполнения делителя 5 частоты (см. фиг. 2). На совпадение кодов NB и NH подключены элементы 37 и 38 к соответствующим прямым или инверсным выходам счетчика 36. Причем . Таким образом, делитель 5 частоты формирует два частотных предела регулирования fB и fH. П р и м е р 1. и пст 3%. Тогда и , что соответствует двоичным кодам 011111010 и 100000010. Границы (f и а определяются, исходя из заданных пределов стабилизации более или менее допустимых (например ±5). Отсю да выбираются соответственно двоичные коды NI и N2. Двоичный код NI, поступающий постоянно на кодовые шины 14, взят обратным для того, чтобы при сложении с текущим кодом числа NJ делителя 5 частоты, располагаемого в области отсчета меньше допустимого, происходил бы перенос а , при этом . Двоичный код N2, поступающий постоянно на кодовые шины 15, взят пря.мым, так , чтобы при сложении с кодом числа NJ, располагаемого в области отсчета больше допустимого, происходил бы перенос а

Пример2. , Nr261; , . NJ-100000101 N1 011111010 NV011111011 ТЭН)11111011 000000000

111110101

перенос, 7.1 - -переноса нет. Пример 3. , , .

Ni-100010000 N 100000101 № 011110000 N2 011110000 000000000 г - 111110101

e перенос, о .ц -переноса нет.

Из примеров 2 и 3 видно, что при стабилизация скорости вращения вала про- исходит, неисправности нет.

Датчик 10 работает следующим образом (см. фиг. 3). При вращении диска 40 свет, излучаемый индикатором 41, проникает через прорезь и попадает на фотодиод 43. За время действия светоизлучения через фотодиод 43 проходит прямой импульсный ток.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство для управления двухфазным асинхронным электродвигателем обладает простотой схемного построения, что приводит к повышению надежности схемы. Введение блока контроля с выводом для подключения, который позволяет контролировать режим работы, приводит к расшире- нию функциональных возможностей.

Исходя из вышеизложенного, заявляемое изобретение обладает положительным эффектом: повышение надежности и расши0

5 0 5

0

5

0

5

0 5

рение функциональных возможностей. Положительный эффект чисто технический и не представляется возможным выразить его в денежной форме.

Заявляемое изобретение разработано на этапе ОКР и предложено к использованию в изделии Клавесин.

Формула изобретения

1. Устройство для управления двухфазным асинхронным электродвигателем, содержащее диодно-транзисторный ключ переменного тока с узлом гальванической развязки и усиления и фазосдвигающий конденсатор, предназначенные для включения в цепи соответственно обмотки управления и обмотки возбуждения асинхронного электродвигателя, делитель частоты, первый и второй входы которого подключены соответственно с шине разрешения и к выходу генератора, два RS-триг- гера и датчик частоты вращения с формирователем, S-входы первого и второго RS-триггеров подключены соответственно к первому и второму выходам делителя частоты, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и расширения функциональных возможностей, в него введены IK-триггер и блок контроля с пятью входами, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой входы IK-триг- гера соединены соответственно с шиной разрешения, инверсными выходами первого и второго RS-триггеров. первым выходом формирователя, прямыми выходами второго и первого RS-триггеров и третьим выходом делителя частоты, третий вход которого объединен с R-входами обоих RS-триггеров и подключен к второму выходу формирователя, первый выход которого соединен с первым входом блока контроля, второй и третий входы которого соединены с четвертым и пятым выходами делителя частоты, выход К-триггера соединен в входом узла гальванической развязки и усиления, четвертый и пятый входы и выход блока контроля предназначены для соединения соответственно с шинами первого и второго кодирования и шиной неисправности.

2. Устройство по п. отличающееся тем, что блок контроля содержит D- триггер, элемент И-НЕ и два сумматора, выходы переноса которых подключены к входам элемента И-НЕ, выход которого подключен к D-входу D-триггера, С-вход D-триг- гера образует первый вход блока конгроля, первые и вторые входы первого и второго сумматоров образуют соответственно второй, третий, четвертый и пятый входы блока контроля, выход D-триггера образует выход блока контроля.

U&Ar галб/яш- п vecxov / Q3efi3M-L а усиления

1 4иодю 1 транзистора/и. KJW4.I

Aamwx

ча&патб/

ердщещ;

Г

«

ФОрМирО&)

Ч

Использование: электромашинные системы автоматики для стабилизации и контроля частоты вращения вала. Сущность изобретения: введение в состав устройства К-триггера и блока контроля, состоящего из ( IК-триггера, элемента И-НЕ и двух сумматоров, позволило повысить надежность устройства и расширить его функциональные возможности за счет обеспечения контроля режима работы. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

7

Делите/it, 4ас/яо/7 ь/

Г

14

45i

1%

П

50

j

/5

Я

5Ј

&

л

16

Я

Блох

КОМ/ПрОЛЯ |

Фиг.

гг-г/г

СР

SZZLLLI

Vr

W

X)

Фиг. 4