Электропривод постоянного тока

 

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться при импульсном регулировании частоты вращения электродвигателя. Упрощение электропривода и уменьшение потерь в электродвигателе обеспечивается за счет введения инвертора 19, выход которого соединен с входом S первого триггера 20, вход R которого соединен с выходом второго компаратора уровня 17. Электропривод кроме того, содержит второй триггер 21, вход которого соединен с выходом первого компаратора уровня 16 и входом инвертора 19, а вход R --с выходом третьего компаратора уровня 18, формирователь импульсов 22, выход которого подключен к входу клю1С Оcpi/i .f

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (59 4 Н 02 Р 5/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4012831/24-07 (22) 29.01.86 (46) 15.06,87, Бюл, 9 22 (71) Украинский научно-исследовательский институт станков и инструментов и Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт релестроения (72) И.В.Донской, П.10.Бахарев, M.Е.Гольц, Н.С.Литвин и А,А,Прокопенко (53) 621.316.718.5 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 782111, кл. Н 02 Р 5/06, 1980.

Бродовский В,Н., Иванов E.Ñ. Приводы с частотно-токовым управлением.

М.: Энергия, 1974, с. 76, 82, 115, 120.

„„SU„„1317626 А I (54) ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА (57) Изобретение относится к электротехнике и может использоваться при импульсном регулировании частоты вращения электродвигателя. Упрощение электропривода и уменьшение потерь в электродвигателе обеспечивается за счет введения инвертора 19, выход которого соединен с входом S первого триггера 20, вход R которого соединен с выходом второго компаратора уровня 17. Электропривод кроме того, содержит второй триггер

21, вход которого соединен с выходом первого компаратора уровня 16 и входом инвертора 19, а вход R — с выходом третьего компаратора уровня

18, формирователь импульсов 22, выход которого подключен к входу клю7626

131 ча 4, а вход — к прямому выходу триггера 20, инверсный выход которого через формирователь импульсов 23 подключен к входу ключа 5, формирователь импульсов 24, выход которого подключен к входу ключа 6, а вход— к прямому выходу триггера 21, инверсный выход которого через формирова- тель импульсов 25 подключен к входу ключа 7, В данном электроприводе постоянного тока во всех режимах работы пульсации тока двигателя постоянны и определяются порогом срабатывания однопороговых компараторов уровня„ Контур тока не имеет зоны нечувствительности, т,е. обладает линейной регулировочной характеристикой, Переход с режима потребления энергии от источника питания в режим возврата и наоборот не сопровождается до- . полнительными всплесками тока якоря двигателя. 4 ил °

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при импульсном регулировании частоты вращения электродвигателя постоянного тока в системах автоматизированного электропривода.

Цель изобретения — упрощение электропривода и уменьшение потерь в двигателе.

На фиг..1 приведена блок-схема предлагаемого электропривода; на фиг, 2 — схемы однопороговых компараторов уровня, примеры исполнения, на фиг, 3 и 4 — диаграммы, поясняющие работу электропривода в переходном режиме (фиг, 3) и в установившемся режиме при малой нагрузке (фиг. 4).

Электропривод постоянного тока (фиг. 1) содержит электродвигатель

1, якорь которого подключен к источнику 2 питания через четырехключевой мостовой реверсор 3, состоящий из ключей 4-7 и диодов 8-11 обратного моста, последовательно соединенные тахогенератор 12, регулятор 13 скорости и элемент 14 сравнения, второй вход которого соединен с выходом датчика 15 тока якоря электродвигателя 1, а выход — с входами первого 16, второго 17 и третьего 18 компараторов уровня, ин— вертор 19, выход которого соединен с S-входом первого триггера 20, Rвход которого соединен с выходом второго компаратара 17 уровня, второй триггер 21 S-вход которого соединен с выходом первого компаратора

16 уровня и входом инвертора 19, а

R-вход — с выходом третьего компаратора 18 уровня, формирователь 22 импульсов, выход которого подключен к входу ключа 4, а вход — к прямому выходу триггера 20, инверсный выход которого через формирователь 23 импульсов подключен к входу ключа

5, формирователь 24 импульсов, выход которого подключен к входу клю1О ча 6, а вход — к прямому выходу триггера 21, инверсный выход которого через формирователь 25 импульсов подключен к входу ключа 7.

Однопороговый компаратор 16. уров t5 ня, представляющий собой детектор нуля, может быть выполнен (фиг. 2а) на операционном усилителе 26 с входным резистором 27 и ограничителем отрицательного выходного напряжения

20 на резисторе 28 и диоде 29.

Однопороговый компаратор 17 уровня с отрицательным порогом может быть выполнен (фиг. 2б) на операционном усилителе 30 с входными резисторами

25 31 и 32 и ограничителем отрицательного выходного напряжения на резисторе 33 и диоде 34, Однопороговый компаратор 18 уровня с положительным порогом может быть

30 выполнен (фиг. 2в) на операционном усилителе 35 с входными резисторами.

36 и 37 и нелинейной обратной связью, образованной диодом 38, I

Пороги срабатывания компараторов

17 и 18 уровня обычно выбираются одинаковыми по модулю и определяются условиями помехозащищенности электропривода.

3 131

Рассмотрим работу электропривода постоянного тока при переходном процессе на примере реверса с выходом тока двигателя на токоограничение.

Уровень токоограничения определяется уровнем ограничения выходного сигнала регулятора 13 скорости, который является заданием тока Б двигателя.

При подаче команды на реверс на вход привода изменяется полярность сигнала на выходе регулятора 13 скорости, Пусть, например, сигнал 1)зт становится положительным. Тогда на выходах компараторов 16 и 17 уровня устанавливаются "1", а на выходах компаратора 18 уровня и инвертора 19 — "0", "О" на входах триггеров 20 и 21 определяют их состояние. "1" с прямого и "0" с инверсного выходов триггера

20 поступают соответственно на входы формирователей 22 и 23 импульсов, а

"0" с прямого и "1" с инверсного выходов триггера 21 — соответственно на формирователи 24 и 25 импульсов.

Наличие " 1" на входе любого формирователя импульсов приводит к появлению на его выходе сигнала управления ключом, а наличие "0" — .к снятию управляющего сигнала.

Таким образом, при подаче команды на реверс (смены знака U ) подается команда на выключение ключей ранее работавшей диагонали и включение ключей другой диагонали. В данном случае снимаются сигналы управления с ключей 5 и 6 и подаются сигналы управления на ключи 4 и 7. Ток двигателя 1 (фиг, 3) сначала спадает до нуля (t, -t;) и через диоды (в данном случае) 8 и 11 обратного моста и встречно направленный источник 2 питания, а затем меняет знак и возрастает с момента времени t, по цепи источник 2 питания — ключ 4 — двигатель 1 — ключ 7 — источник 2 питания.

ЭДС двигателя направлена согласно с током. Начинает возрастать также пропорциональное току якоря напряжение

U т датчика 15 тока, с помощью котодт рого осуществляется отрицательная обратная связь по току двигателя 1.

Для наглядности на фиг. 3 и 4 изображено не действительное значение напряжения П„т, а обратное ему (-U ) . B момент t напряжение на входе компаратора i8 уровня становится равным порогу его срабатывания

dU что ведет к его опрокидыванию и

7626 4 появлению на выходе " 1". Состояни триггера 21 не изменяется, и ток, а следовательно, -U продолжает возрастать. В МОМе т t3 U37 = -Бдт опрокидываются компаратор 16 уровня (на его выходе — "0") и триггер 21.

На входе формирователя 24 импульсов появляется "1", а на входе формирователя 25 импульсов — "0". Сигнал управления снимается с ключа 7 и появляется на ключе 6. После выключения ключа 7 образуется цепь тока якоря электродвигатель 1 — диод 10— ключ 4 — электродвигатель 1. Так как

ЭДС двигателя направлена согласно с током, ток и -Пдт продолжают возрастать. Напряжение на выходе элемента 14 сравнения меняет знак (становится отрицательным) и в момент

t4 становится равным порогу срабатывания компаратора 17 уровня, который опрокидывается, что влечет за собой опрокидывание триггера 20 ("0" на

его R-входе), Появление "0 на пря25 мом и 1 на инверсном выходах триггера 20 приводит к снятию управляющего сигнала с ключа 4 и появлению

его на ключе 5 ° Ключ 4 выключается, ключ 5 включается. Образуется цепь

30 тока электродвигатель 1 — диод.10— источник 2 питания — диод 9 — электродвигатель 1, Происходит режим рекуперации энергии двигателя в источник питания. Ток начинает спадать, 35 компара тор 1 7 уровня переходит в состояние с единицей на выходе. Спад тока и -Uä происходит до момента когда — о*т становится равным U ä и компаратор 16 уровня переходит в

40 состояние с 1 на выходе. Появляется "О" на выходе инвертора 19, что приводит к опрокидыванию триггера 20 и появлению "0" на его инверсном и

"1" на прямом выходах. Ключ 5 выклю45 чается, а ключ 4 включается. Образуется цепь тока электродвигатель 1 диод 10 — ключ 4 — электродвигатель .1. Ток якоря двигателя 1 снова начинает возрастать, пока в момент напряжение на выходе элемента 14 сравнения не достигнет порога срабатывания компаратора 17 уровня, и на его выходе появляется "0". Опрокидывается триггер 20, появляется "0" на его прямом выходе, что приводит к выключению ключа 4 и переходу в режим рекуперативного торможения. Ток снова спадает по цепи электродвигатель 1 — диод 10 — источник 2 пита5 1З ния — диод 9 — электродвигатель 1.

Далее процесс коммутации повторяется.

Таким образом процесс торможения происходит при чередовании двух режимов: динамического торможения,при котором ток возрастает (замыкается через ключ 4 и диод 10), и рекупе. ративного торможения, когда ток якоря спадает (замыкается через диоды

10 и 9 на встРечно подключенный источник 2 питания). Такое чередование режимов продолжается до тех пор пока, ЭДС двигателя велика и способна поддерживать возрастание тока динамического торможения. Этот режим характеризуется частичным возвратом энергии от двигателя в источник 2 питания. Коммутация тока осуществляется ключом 4 при выключенном ключе 7. Команду на выключение ключа 4 выдает компаратор 17 уровня, когда напряжение на его входе достигает порога срабатывания, т.е. когда ток двигателя становится больше заданного значения на величину д?. Команду на включение ключа 4 выдает компаратор 16 уровня, когда

U = -U T, т,е, ток двигателя 1 достигает заданного значения, Таким образом, размах пульсаций тока D I двигателя 1 в режиме возврата энергии в источник 2 питания определяется порогом компаратора 17 уровня„

По мере торможения скорости и ЭДС двигателя уменьшаются,. скорость возрастания тока динамического торможения также уменьшается и в некоторый момент при динамическом торможении ток перестает возрастать, В момент „„ компаратор 16 уровня опрокидывается и на его выходе появляется "1", на выходе инвертора 19 — "0", а на прямом выходе триггера 20 — " 1",Сигнал управления снимается с ключа 5 и появляется на ключе 4. Ключ 5 выключается, ключ 4 включается. Начинает протекать ток динамического торможения двигателя 1 через диод 10 и ключ 4. Ток сначала возрастает, на выходе коипаратора 16 уровня появляется "О, Однако ток не достигает уровня, которому соответствует опрокидывание компаратора 17 уровня, и начинает спадать. В момент t Б — — на выходе компаратора 16 уровня появляется "1, а на выходе инвертора 19 вЂ, "О", который подтвер17626 о ждает состояние триггера 20. Ток продолжает спадать, и на выходе эле мента 14 сравнения появляется поло— жительное напряжение, которое в момент „ достигает порога срабатывания дУ компаратора 18 уровня, на выходе которого появляется "О . Изменяется состояние триггера 21, на его прямом выходе появляется "О", а

10 на инверсном -- "1, что приводит к выключению ключа 6 и включению ключа 7. Образуется цепь тока двигателя 1, источник 2 питания — ключ 4— двигатель 1 — ключ 7 — источник 2

15 питания, Ток начинает возрастать.

Компаратор 18 уровня переходит в состояние с "1" на выходе, не изменяющей состояния триггера 21, В момент

U» = -Бд и компаратор 16 уров20 ня опрокидывается, появляется "О" на его выходе, который опрокидывает триггер 21. На инверсном выходе триггера 21 появляется "О", что вле- . чет за собой выключение ключа 7. Ток

25 якоря спадает по цепи электродвига тель 1 — диод 10 — ключ 4 — электродвигатель 1. Спад тока и -04 - про должается до момента t «, когда происходит опрокидывание компаратора 18

3g уровня и триггера 21, что влечет за собой включение ключа 7 и возрастание тока двигателя 1, Прбцесс коммутации повторяется. Заключительный этап торможения протекает за счет коммутации ключа 7 при включенном ключе 4. Энергия потребляется от источника 2 питания для поддержания заданного уровня токоограничения.

Так как торможение осуществляется вследствие подачи на вход электропривода (U „) команды на реверс, то по окончании процесса торможения знак сигнала U» на выходе регулятора .13 скорости и тока не изменяется, По этому не изменяется алгоритм работы компараторов 16 и 18 уровня, скорость электродвигателя 1 меняет знак, начинается разгон в другую сторону.Коммутация тока при разгоне, также как

0 и на заключительном этапе процесса торможения, при включенном ключе 4 осуществляется ключом 7, команда на включние которого подается компаратором 18 уровня, а на выключение — компаратором 16 уровня.

На примере реверса рассмотрена рабрта электропривода в режиме тоРассмотрим работу электропривода в установившемся режиме для случая, когда выходной сигнал регулятора 13 скорости U положительный и меньше порога срабатывания ьП компаратора

18 уровня (фиг. 4) . Этот случай соответствует работе электропривода при малой нагрузке, Пусть в момент ток двигателя 1 равен нулю. Тогда на выходах компараторов 16-18 уровня

" 1", а на выходе инвертора 19 — "0", которому соответствует состояние триггера 20 с "1" на прямом выходе.

Ключ 4 включен. Ключ 7 может быть включен или выключен, что определяется состоянием триггера 21. Допустим, что триггер 21 находится в состоянии с "1" на инверсном выходе,т,е. ключ 7 включен, а ключ 6 выключен, Тогда на двигатель подается напряжение источника 2 питания. Ток двигателя 1 возрастает по цепи источник 2 питания — ключ 4 — двигатель 1 ключ 7 — источник 2 питания. Ток направлен встречно ЭДС двигателя 1. В момент с„ -Б т=Uэт, опрокидывается

7 13176 коограничения при торможении двигателя 1 и его разгоне.

Процесс торможения состоит из двух участков: участка возврата энергии от двигателя 1 в источник 2 пи5 тания, при котором согласно направленная с током ЭДС двигателя велика и способна поддерживать возрастание динамического тока, и участка потребления энергии из источника 2 питания 10 для поддержания заданного уровня токоограничения при малом значении согласно направленной с током ЭДС двигателя. Процесс разгона двигателя характеризуется потреблением энергии 15 от источника питания при встречном направлении ЭДС двигателя с током.

Независимо от направления потока энергии при переходных процессах пульсаций тока лТ двигателя 1 постоянны и определяются порогом срабатывания компараторов 17 и 18 уровня, При работе электропривода в установившемся режиме со статической нагрузкой на валу двигателя 1 коммута- 25 ция тока происходит аналогично процессу разгона (коммутация осуществляется ключом 5 (или 7) при включенном ключе б (или 4), но при меньших, чем при токоограничении, значе- 30 ниях выходного напряжения U регулятора 14 скорости).

26 8 компаратор 16 уровня и íà его выходе появляется "0", что приводит к опрокидыванию триггера 21 и появление на его прямом выходе "1", а на инверсном — "0", Управляющий. сигнал снимается с ключа 7 и поступает на ключ 6, что приводит к выключению ключа 7 и включению ключа 6. Ток двигателя 1 спадает по цепи,двигатель 1 — диод 10 — ключ 4 — двигатель 1. Компаратор 16 возвращается в состояние с "1" на выходе, "0" на выходе инвертора 19 подтверждает состояние триггера 20. Спад тока продолжается до момента t, когда ток якоря становится равным нулю, После момента t ток под действи2 ем ЭДС двигателя 1 изменяет направление и возрастает по цепи двигатель .1 - диод 8 — ключ 6 — двигатель 1.

Напряжение -U также изменяет знак и возрастает, Поэтому напряжение на выходе элемента 14 сравнения начинает увеличиваться с U, в момент до напряжения, равного порогу срабатывания И компаратора 18 уровня, в результате чего он опрокидывается в момент t . Появляется "0" на выходе компаратора 18, что приводит к опрокидыванию триггера 21 и появлению на его прямом выходе "0", а на инверсном — "1 . Управляющий сигнал снимается с ключа б и появляется на ключе 7. Ключ 6 выключается, а . ключ 7 включается. Ток двигателя 1 начинает спадать по цепи двигатель

1 — диод 8 — источник 2 питания— диод 11 — двигатель 1 вследствие встречно направленного источника 2 питания току и ЭДС двигателя 1. Компаратор 18 уровня переходит в состояние с "1" на выходе, состояние триггера 21 не изменяется. В момент ток становится равным нулю, а затем изменяет направление и возрастает под действием источника 2 питания по цепи источник 2 питания — ключ . 4 — двигатель 1 — ключ 7 — источник

2 питания. Далее процесс повторяется, т,е. в интервале t -t> протекает так же, как и в интервале

Скорости возрастания и спада тока зависят от ЭДС двигателя 1, а размах пульсаций тока nI неизменен и определяется порогом дП компаратора

18 (или 17) уровня, !

На фиг, 3 и 4 обозначены ключи и диоды, через которые в данные интер9 13 валы времени протекает ток двигателя 1.

Таким образом, в электроприводе постоянного тока при упрощении схемы. управления и уменьшении потерь в двигателе во всех режимах работы, пульсации тока постоянны и определяются порогом срабатывания однспороговых . компараторов уровня. Кроме того, в предлагаемом электроприводе контур тока не имеет зоны нечувствительности, т.е, обладает линейной регулировочной характеристикой.

Формула и з обретения

Электропривод постоянногО тока, содержащий электродвигатель, якорь которого подключен к источнику питания через четырехключевой мостовой реверсор, последовательно соединенные тахогенератор, регулятор скорости и элемент сравнения, к выходу которого подключены три компаратора

17626 - ° 10 уровня два >К триггера четыре фор мирователя импульсов, подключенные .к входам соответствующих ключей,датчик тока якоря двигателя, выход ко5 торого подключен к другому входу элемента сравнения, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью упрощения и уменьшения потерь в двигателе в него введен инвертор, первыи в

1О компаратор уровня выполнен в виде детектора нуля,, второй — в виде однопорогового компаратора с отрицательным порогом, а третий — в виде однопорогового кампаратора с положитель15 ным порогом, при этом инвертор включен между выходом первого компаратора и S-входом первого триггера, Rвход которого соединен с выходом второго компаратора, выходы первого и

20 третьего компараторов соединены соответственно с S- u R-входами второго триггера, выходы каждого триггера подключены к соответствующим двум формирователям импульсов.

1317626

Составитель Ю.Воробьев

Редактор А.Orap Техред В. Кадар Корректор Т, Колб

Заказ 2432/53 Тираж 660 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делая изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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