Устройство для управления двухфазным асинхронным электродвигателем

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з Н 02 Р 1/42

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4812240/07 (22) 09.04.90 (46) 23,11,92. Бюл, N.. 43 (71) Научно-производственное объединение

"НОРД" (72) В.И.Кафизов и В,А.Сергеев (56) 1. Авторское свидетельство СССР

N. 1300621, кл. Н 02 P 7/36, 1985, 2. Авторское свидетельство СССР

М 1254575, кл. Н 02 P 5/06. 1985.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электромашинных 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

N 646409 и N 1300621, кл. Н 02 Р 7/36.

Известное устройство для управления двухфазным асинхронным электродвигателем (авт. св, М 1300621) содержит диоднотранзисторный ключ переменного тока в цепиобмотки управления, фазосдвигающий конденсатор в цепи обмотки возбуждения, БЦ,, 1777225 А1 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ

ДВУХФАЗНЫМ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛ ЕМ (57) Использование: электромашинные системы автоматики для стабилизации и контроля частоты вращения вала. Сущность изобретения: введение в состав устройства

К-триггера и блока контроля, состоящего из

I К-триггера, элемента И-НЕ и двух сумматоров, позволило повысить надежность устройства и расширить его функциональные возможности эа счет обеспечения контроля режима работы. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. блок гальванической развязки и усиления импульсов управления, датчик входного сигнала, индикатор входного сигнала, индика- 3 тор 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 источника переменного напряжения при полной остановке ротора, Из известных устройств для управления двухфазным асинхронным электродвигате1777225

10

25

55 лем наиболее близким по технической сущности является прототип, приведенный в описании авт.св. СССР М 1254575, кл, Н 02

Р 5/06. который содержит блок датчиков, два усилителя-формирователя, два RSтриггера, 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 возмо>кностей 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 (К-триггер и блок контроля с пятью входами, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой входы IK-триггера 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 обьединен 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. Причем блок контроля содержит О-триггер, элемент И-HE и два сумматора, выходы переноса которых подключены к входам элемента И-.НЕ, выход которого подключен к D-входу D-триггера, при этом С-вход Dтриггера образует первый вход блока контроля, первые и вторые входы первого и второго сумматоров образуют соответственно второй, третий, четвертый и пятый входы блока контроля, выход 0-триггера образует выход блока контроля.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства для управления двухфазным асинхронным электродвигателем; на фиг. 2 — функциональная схема подключения сумматоров к делителю частоты; на фиг.

3 — схема датчика; на фиг, 4 — временные диаграммы напряжений и частоты вращения ротора.

В предлагаемом устройстве для управления двухфазным асинхронным электродвигателем (фиг.1) один конец обмотки управления асинхронного электродвигателя 1 соединен с выходом диодно-транзисторного ключа 2 переменного така. Первый вход ключа 2 и другой конец обмотки управления электродвигателя 1 подключены к источнику переменного напряжения U>.

Второй вход ключа 2 соединен с выходом узла 3 гальванической развязки и усиления.

Фазосдвигающий конденсатор 4 и обмотка возбуждения электродвигателя 1 соедине= ны последовательно и свободными концами подключены к источнику переменного напряжения U . Первый вход (разрешение) и второй вход (синхронизации) делителя 5 частоты подключены соответственно к шине 6 разрешения и выходу генератора 7. $-входы первого 8 и второго 9 RS-триггеров подключены соответственно к первому и второму 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 шиной 6, второй и третий входы (1) соединены соответственно с инверсными выходами триггеров 8 и 9, четвертый вход(С) соединен с первым выходом формирователя 11, пятый и шестой входы (К) соединены соответственно с прямыми выходами триггеров 9 и 8, седьмой вход (й) 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

1777225

10

50 (уст,"0") 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 U>, 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 иусиления 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 ксллектора транзистора 25 подключены к шине +Рр источника питания. Вход элемента 19 и переход эмиттера транзистора

25 образуют соответственно вход и выход узла.

Формирователь 11 состоит иэ 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 ИНЕ 28, Вход и выход усилителя 27 образует входи первый выход формирователя. Выход элемента НЕ 29 образует второй выход формирователя.

B 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.3), содержащий светонепроницаемый 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-триггера 32, первого 33 и второго 34 сумматоров комбинационного типа, выходы которых соединены с входами логического элемента И-HE 35, выход последнего соединен с D-входом 0-триггера 32, С-вход Dтриггера 32 образует первый вход блока, первые и вторые входы сумматоров 33 и 34 образуют соответственно второй, третий и четвертый, пятый входы блока. Выход 0триггера 32 образует выход блока, 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.

В качестве примера генератора эталонной частоты может служить схема кварцевого генератора, приведенная в статье

Кафизова В.И, Универсальный делитель частоты на интегральных схемах. — Судостроение, 1987, N 12, с, 23, 24, рис. 4, Примеры логических элементов НЕ, ИНЕ, IK-триггера, D-триггера, сумматора и двоичного счетчика приведены в кн. Интегральные микросхемы: Справочник/Б.В.Тарабрин, Л.Ф.Лунин, Ю.H.Ñìèpíîâ и др.:

Под ред. Б.В.Тарабрина — M.: Радио и связь, 1983, с. 58-102, микросхемы серии К155, КМ155, Пример индикатора единичного приведен 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 приведен в кн. Микроэлектроника, вып. 7:

Под ред. А,А.Васенкова — М.: Сов. радио.

1974, с,210-221, Примеры операционных усилителей приведены в кн. Нестеренко Б.К. Интегральные операционные усилители: Справочное пособие по применению — М.: Энергоиэдат, 1982.

Устройство работает следующим образом.

Пусть на фазовые обмотки управления и возбуждения асинхронного электродвигателя 1 подаются соответственно напряжения 0у и U, например, от трансформатора, подключенного к однофаэной сети переменного напряжения, Генератор 7 вырабатыва1777225

10

50 ет импульсы эталонной частоты f>. При наличии на шине 6 разрешения сигнала лог.

"0" синхровход делителя 5 частоты закрыт и

I K-триггер 12 находится в единичном состоянии — с его выхода снимается сигнал лог."0", На выходе узла 3 гальванической развязки и усиления присутствует сигнал лог. "0", 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 Uo переполнения, который перебрасывает триггер 12 в нулевое состояние— на его выходе возникает сигнал лог, "1" (см, фиг,4г, Щ, Тогда на выходе узла 3 появляется сигнал, который открывает ключ 2 (см. фиг, 4д, 0 л), 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 4.с. обратной связи (см. фиг. 4в), которые опрашивают триггер 12 и блок контроля 13, а после этого устанавлива|от RS-триггеры 8 и 9 и делитель

5 частоты в начальные состояния. Поэтому в последующих циклах заполнения импульсов fa импульс Un не появляется. B каждом цикле на S-входы триггеров 8 и 9 с делителя

5 частоты поступают соответственно импульсы частоты fo верхнего (см, фиг.4а, Uc) и импульсы частоты f> нижнего (см. фиг.4б, 0н), пределов регулирования, которые устанавливают их в единичные состояния. Начинается процесс разгона вращения ротора (см. фиг, 4ж) и возрастает частота fo.с. импульсов обратной связи (см. фиг. 4в). Электродвигатель 1 остается включенным пока при появлении импульса Uo.с. делитель 5 частоты успевает установить триггеры 8 и 9 в единичные состояния, На частоте вращения ротора верхнего предела, когда fo,c.>fo, при появлении сигналов лог, "1" на 1-входах триггер 12 устанавливается в единичное состояние импульсом

0о.с. — на его выходе появляется сигнал лог.

"0" (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 fp.<. (см. фиг. 4в).

Электродвигатель 1 остается отключенным пака при появлении Uo c, делитель 5 частоты еще не успевает установить триггеры 8 и 9 в единичные состояния.

На частоте вращения ротора нижнего предела, когда fo,c.

Up,c. — íà 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 (cM,ôèã. 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 N1 шины 14 первого кодирования, а второй сумматор 34 производит сложение текущего обратного двоичного кода N> с постоянным прямым двоичным кодом Nz шины 15 второго кодирования. Если Nt>N>, то сумматор 33 выдает сигнал переноса — лог. "0". Это означает, что отклонение вращения вала составляет больше допустимого о, то есть fo.с.>11.

Если N >N2, то сумматор 34 выдает сигнал переноса — лог. "0". Это означает, что отклонение вращения вала составляет меньше допустимого о, то есть fo.c.

D-вход О-триггера 32 поступает сигнал лог.

"1", После этого импульсом Uo,c. 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 0-вход триггера 32 поступит сигнал лог,"0", то импульсом Uoc. триггер 32 снова устанавливается в нулевое состояние, выдавая на выход устройства сигнал лог, "0" — исправность.

Частота f> генератора 7 выбирается иэ соображения того, чтобы одному периоду срабатывания датчика 10 при стабилизации скорости ncaa соответствовало бы определенное число N> импульсов, заполняющих делитель 5 частоты, и — максимальная скорость вращения ротора.

Как правило, стабилизация скорости пст электродвигателя 1 осуществляется в задан1777225

10

20

30

40

55 блока контроля. ных пределах (например,4-3;(), Поэтому задаются коды N> верхнего и N> нижнего пределов заполнения делителя 5 частоты

{см. фиг, 2). На совпадение кодов N и NH подключены элементы 37 и 38 к соответствующим прямым или инверсным выходам счетчика 36, Причем N>

Пример 1, No=250 и пст= 3 $.

Тогда К =242 и КО=258, что соответствует двоичным кодам 011111010 и 100000010.

Границы о и (т определяются, исходя из заданных пределов стабилизации более или менее допустимых {нап ример Ч=5). Отсюда выбираются соответственно двоичные кОДы N> и К2. Двоичный кОД N i, поступаю щий постоянно на кодовые шины 14, взят обратным для того, чтобы при сложении с текущим кодом числа Ni делителя 5 частоты, располагаемого в области отсчета меньше допустимого, происходил бы перенос а, при этом К1<йв. Двоичный код Кг, поступающий постоянно на кодовые шины 15, взят прямым, так как Nz>N>, чтобы при сложении с кодом числа Кь располагаемого в области отсчета больше допустимого, происходил бы перенос К

Пример2. N1=260, Ni=261, N)=260, К=250.

К -100000101 К!=011111010

+К и 011111011 Я =011111011 тгиии — в перенос, o . ереноса нет.

ПриMер3,ггг=240,N;=239; ггг=240.Nt=250, N -100010000 A)=100000101

К2=011110000 К2=011110000

ОО0ОООООΠà — » « 10101 перенос, 0,4 переноса нет.

Иэ примеров 2 и 3 видно, что при Ni=250 стабилизация скорости вращения вала происходит, неисправности нет.

Датчик 10 работает следующим образом (см. фиг. 3). П ри вращении диска 40 свет, излучаемый индикатором 41, проникает через прорезь и попадает на фотодиод 43. За 4 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 расширению функциональных возможностей.

Исходя из вышеизложенного, заявляемое изобретение обладает положительным эффектом: повышение надежности и расширение функциональных воэможностей, Положительный эффект чисто технический и не представляется возможным выразить его в денежной форме.

5 Заявляемое изобретение разработано на этапе OKP 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-триггера и датчик частоты вращения с формирователем, S-входы первого и второго RS-триггеров подключены соответственно к первому и второму выходам делителя частоты, о т л и ч а ю щ е е с я 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-триггера 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 IK-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 и. 1, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что блок контроля содержит Отриггер. 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 0-триггера образует первый вход блока кон роля, первые и вторые входы первого и втОрого сумматоров образуют соответственно второй, третий, четвертый и пятый входы блока контроля, выход D-триггера образует выход

1777225

1777225

1777225 г) Составитель В, Кафизов

Техред M,Mîðãåíòàë Корректор М. Петрова

Редактор

Заказ 4127 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101