Устройство для регулирования момента маховичного двухфазного асинхронного двигателя точной системы управления искусственного спутника земли

 

Изобретение относится к области электротехники. Техническим результатом является уменьшение потребляемой мощности и улучшение регулировочных характеристик. Технический результат достигается за счет того, что в устройстве, содержащем широтно-импульсный модулятор, транформатор, выпрямитель, фильтр и устройство сравнения с входным сигналом, параллельно фазной обмотке двигателя подключена первичная обмотка трансформатора, одна из выходных обмоток которого через выпрямитель и фильтр связана с эмиттерной цепью транзистора, а другая через выпрямитель - с базой этого же транзистора. Коллектор транзистора через фильтр подключен на один из входов устройства сравнения, выход которого связан со входом широтно-импульсного модулятора. 4 ил.

Предлагаемое устройство предназначено для регулирования момента двухфазного асинхронного маховичного двигателя, являющегося исполнительным органом системы управления искусственного спутника Земли (ИСЗ).

Развиваемый двигателем момент регулируется пропорционально величине сигнала управления, поступающего с датчика ориентации. Поэтому данное устройство рекомендуется для высокоточных систем управления.

Известны релейные, релейно-импульсные, пропорциональные устройства, которые применяются или могут быть применены для управления маховичными асинхронными двигателями.

В системах управления ИСЗ средней точности (до 0,5÷1^o на орбитах 200-800 км) в настоящее время наибольшее распространение получили релейные устройства, в которых маховичный асинхронный двигатель периодически включается и выключается по цепи питания фазных обмоток. При этом потребляемая двигателем средняя можность Р_ср=Р_н·γ, где Р_н - потребляемая двигателем импульская мощность; γ - скважность включения. Так как двигатель полностью отключается от источника питания в паузах между управляющими импульсами, то такая система отличается высокой экономичностью. На практике в установившемся режиме γ=0,05÷0,2.

Основным недостатком подобного рода устройств является недостаточно высокая точность ориентации ИСЗ, которую они могут обеспечить из-за наличия зоны нечувствительности и гистерезиса релейного элемента.

Значительно большими возможностями в отношении точности ориентации обладают устройства пропорционального регулирования момента маховичного двигателя, к которым относится и предлагаемое устройство.

Широко известны схемы регулирования момента двухфазного асинхронного двигателя, изменяющие амплитуду напряжения, подводимого к одной обмотке двухфазного двигателя, пропорционально сигналу управления. Вторая обмотка - обмотка возбуждения - запитывается при этом напряжением постоянной величины. Такие устройства обладают хорошей линейностью зависимости момента двигателя от величины сигнала управления, но отличаются существенным недостатком: вследствие того что обмотка возбуждения двигателя постоянно находится под напряжением и, следовательно, постоянно потребляет мощность, они крайне не экономичны. Дело в том, что маховичный двигатель системы управления ИСЗ большую часть времени в установившемся режиме работает в зоне малых сигналов, развивая при этом момент, составляющий 10-20% от максимального. Поэтому постоянное потребление мощности обмоткой возбуждения и эллиптичность магнитного поля резко ухудшают энергетические показатели маховичного двигателя. Например, двухфазный асинхронный двигатель АДП, развивая момент в 180 гсм, потребляет по цепи возбуждения 21 Вт.

Несколько лучшими энергетическими показателями обладает устройство для управления двухфазными двигателями, описанное в работе Михалева A.С. Точность следящих систем переменного тока, экономичных по потребляемой энергии. Труды Рязанского радиотехнического института, 1968 г., вып.12. В этом устройстве обмотка возбуждения отключается от цепи питания релейным элементом в том случае, когда сигнал управления меньше зоны нечувствительности реле. Однако это устройство также недостаточно экономично, так как в точных системах управления зона нечувствительности указанного реле мала и выигрыш по мощности незначителен.

Наиболее экономичны устройства, осуществляющие регулирование напряжения на всех фазах двигателя. Потребляемая при этом мощность изменяется от нуля до максимальной в зависимости от сигнала управления. Известны устройства такого типа, например следующие.

1. Сандлер А.С., Гусяцкий Ю.М. Тиристорные инверторы с широтно-импульсной модуляцией для управления асинхронными двигателями. М.-Л.: Энергия, 1968.

2. Усышкин Е.И. Инвертор с широтно-импульсной модуляцией. Электричество, №6, 1968.

3. Усышкин Е.И., Сажин Л.И. Новые системы электропривода для киноаппаратуры. Техника кино и телевидения, 1964, №5.

4. Коссов О.А. Усилители мощности на транзисторах в режиме переключений. - Энергия, 1964.

5. Усышкин Е.И. Частотно-регулируемый электропривод. Авт. св. №196166.

Общим недостатком устройств, описанных в этих работах, является нелинейность зависимости момента, развиваемого двигателем, от величины напряжения, прикладываемого к его статорным обмоткам. Эта нелинейность порождается тем, что момент, развиваемый асинхронным двигателем, как известно, имеет квадратичную зависимость от фазного напряжения

Нелинейность этой зависимости ухудшает динамические и статические показатели системы управления в целом и значительно затрудняет ее синтез. Для получения линейной зависимости момента от величины управляющего сигнала в асинхронном двигателе можно изменять частоту, как это предлагается в вышеназванных работах 1, 3, 4, 5. Это, естественно, значительно усложняет все устройство.

Предлагаемое устройство не имеет указанных недостатков:

- момент, развиваемый двигателем (при неизменной скорости) пропорционален величине напряжения управления;

- потребляемая мощность: изменяется приблизительно линейно от нуля при изменении напряжения сигнала управления от нуля до максимальной величины, что обеспечивает высокую энергоэкономичность.

Основной особенностью устройства, составляющей предмет изобретения, является контур широтно-импульсного регулирования фазных напряжений двигателя, обеспечивающий изменение величины фазного напряжения пропорционально квадратному корню из величины напряжения входного сигнала управления. Работа устройства может быть понята из фиг.1, где приведена блок-схема всего маховичного электропривода и фиг.4, где приведена его принципиальная схема.

Предлагаемым предметом изобретения является устройство, блок-схема которого выделена на фиг.1 пунктиром и состоящее из следующих блоков:

- широтно-импульсных модуляторов ШИМ-1, ШИМ-2;

- ключей К₁, К₂;

- трансформатора обратной связи Тр ОС;

- выпрямителей В₂, В ₃;

- фильтров среднего значения ФС3-1, ФС3-2.

Эти блоки образуют замкнутый контур системы регулирования фазных напряжений двигателя (СРФН).

Контур, состоящий из блоков:

- фазочувствительного выпрямителя (ФЧВ);

- двухполюсного переключателя (ДП);

- двухфазного автогенератора АГ-1, АГ-2;

- инверторов И₁, И₂,

служит для запуска инвертора и установки знака момента двигателя (и предметом изобретения не является). Предполагается, что электропривод управляется сигналом переменного тока U_вх, который для задания знака момента двигателя может находиться в фазе с опорным U_оп или в противофазе (входной сигнал может поступать и в виде напряжения постоянного тока, на предмете изобретения это не отражается). Величина момента двигателя задается величиной U_вх. ФЧВ выявляет фазовое соотношение U_вх и U_оп и устанавливает ДП, представляющий собой триггер, в одно из двух устойчивых состояний.

Выходные напряжения автогенераторов АГ-1, АГ-2 могут иметь сдвиг по фазе +π/2 или -π/2 в зависимости от состояния ДП. Автогенераторы АГ-1, АГ-2 запускают мостовые инверторы И₁, И₂ , запитывающие фазные обмотки двигателя. И₁, И ₂ не изменяют фазовых соотношений входных напряжений. Следовательно, сдвиг фазных напряжений двигателя может быть +π/2 или -π/2 в зависимости от состояния ДП, а следовательно, от фазовых соотношений U_вх и U_оп. Сдвиг фазных напряжений определяет знак момента двигателя: +М или -М.

Устройство регулирования фазных напряжений (являющееся предлагаемым предметом изобретения) работает следующим образом: входное напряжение U _вх после выпрямления (В₁) поступает на схему сравнения СС, где сравнивается с напряжением обратной связи U _ос. Их разность

задает скважность выходного напряжения ШИМ-1, который управляет ключами К₁, К₂, коммутирующими базовые обмотки транзисторов "нижнего" этажа мостовых инверторов И₁, И₂. Эти базовые обмотки расположены на выходных трансформаторах АГ-1, АГ-2 (см. фиг.4). Транзисторы "верхнего" этажа И₁, И₂ запускаются непосредственно от АГ-1, АГ-2 соответственно. Частота выходного напряжения ШИМ-1

f_шим>f_аг,

где f_аг - частота выходного напряжения АГ-1, АГ-2. Поэтому инверторы подают на фазы двигателя напряжения, показанные на фиг.2. При изменении величины U_вх изменяется скважность импульсов несущей частоты f_шим

что приводит к изменению эффективного значения фазного напряжения. В работе [4] (Коссов О.А. Усилители мощности...) показано, что развиваемый двигателем момент, определяется в основном первой гармоникой фазного напряжения U_1ф, например, пусковой момент

где

n_c - синхронная скорость;

к, r_ук, x_ук - параметры двигателя (см. Чечет Ю.С. Электрические микромашины автоматических устройств).

Эта зависимость имеет квадратичный, существенно нелинейный характер, что отмечалось выше.

Нетрудно показать, что для напряжения, показанного на фиг.2,

где

Так как f_шим>f_аг, то α_М мало, поэтому

где

(Например, f_аг=100 Гц, f_шим =20 кГц, α_М=18°).

К выходу одного из инверторов параллельно фазной обмотке включается первичная обмотка Тр ОС. Со вторичных обмоток этого трансформатора снимаются два напряжения, одно из которые поступает на вход ФСЗ-1 через выпрямитель В ₂, а другое - на вход ШИМ-2 через выпрямитель В₃ . ФСЗ выделяет постоянную составляющую

U_с1=К ₂γ.

ШИМ-2 модулирует напряжение U_c1 со скважностью γ, так как запускается от Тр ОС импульсами с этой же скважностью γ. В результате этого напряжение на выходе фильтра ФСЗ-2, поступающее на схему сравнения CC

В замкнутой системе регулирования фазных напряжений можно считать, что δU_c≈0.

Поэтому из (1) следует

Подставляя из (2) выражение для γ в (3), с учетом (4) находим

Подставляя (5) в формулу для момента получаем окончательно

т.е. в данном устройстве пусковой момент, развиваемый двигателем, пропорционален входному напряжению.

При разгоне маховика характеристика M(U_вх) зависит также от формы механической характеристики М(n), где n - скорость вращения маховика. Если эта зависимость линейна

M≈M_П-К_Ч·n,

что характерно для асинхронных двигателей с полым ротором и с "беличьей клеткой", имеющих повышенное критическое скольжение (см. М.Ю.Чечет. Электрические микромашины...) или M мало зависит от n, что характерно для глубокопазных асинхронных двигателей, то зависимость M(U_вх) остается линейной.

Так как регулирование в функции входного сигнала ведется по обеим фазам, то потребляемая мощность является монотонной, возрастающей от нуля функцией U_вх, что обусловливает высокую экономичность устройства.

Из сказанного следует, что отличительными признаками предлагаемого устройства являются:

1) включение широтно-импульсного ключа в цепь базовых обмоток транзисторов "нижнего" этажа инвертора;

2) включение в цепь обратной связи системы регулирования фазных напряжений блоков, организующих квадратичное регулирование фазных напряжений.

Оба этих признака неразрывно связаны, так как именно наличие первого позволило достаточно просто реализовать второй.

Наличие этих признаков дает "положительный эффект", выражающийся в том, что моментная характеристика двигателя М(U_вх) линейна, что повышает качество системы управления ИСЗ, а потребляемая мощность изменяется монотонно от нуля при возрастании U_вх, что повышает экономичность электропривода, особенно при малых значениях U _вх.

Сопоставим предлагаемое устройство с известными, в частности с описанными в работе О.А.Коссова "Усилители мощности...", стр.270.

В предлагаемом устройстве и описанном в работе Михалева А.С. "Точность следящих систем..." (см. выше) общим является наличие регулирующего воздействия на обмотку возбуждения двигателя с целью повышения энергоэкономичности.

Отличия:

1. В устройстве Михалева А.С. воздействие на обмотку возбуждения релейное; в предлагаемом устройстве широтно-импульсное.

2. В устройстве Михалева А.С. отсутствует система блоков, обеспечивающих квадратичное регулирование фазных напряжений.

Эти отличия существенны, так как они порождают в устройстве, описанном Михалевым А.С., недостатки, несвойственные предлагаемому устройству:

а) наличие зоны нечувствительности;

б) незначительное повышение экономичности по сравнению с обычной схемой управления асинхронным двигателем с некоммутируемой обмоткой.

Общим с устройствами, описанными в указанных работах 1, 2, 3, 4, 5, является регулирование фазных напряжений изменением скважности импульсов несущей частоты, значительно превосходящей по величине основную частоту, на которой работает двигатель.

Отличия:

1. Разные схемы регулирования фазных напряжений.

2. Отсутствие в этих устройствах системы блоков, обеспечивающих квадратичное регулирование.

Указанные различия также существенны, так как они вызывают следующие недостатки, несвойственные предлагаемому устройству:

а) наличие "перекрытий" во время одновременного переключения транзисторов, принадлежащих к одной вертикальной ветви моста, которые снижают экономичность и увеличивают нагрев транзисторов;

б) нелинейная зависимость момента двигателя от величины управляющего воздействия.

В упомянутой работе О.А.Коссова предлагаются два устройства. Первое реализует известный принцип фазового управления асинхронным двигателем. Отличие его от предлагаемого устройства очевидно. Рассмотренное О.А.Коссовым устройство имеет существенные недостатки:

а) устройство неэкономично, так как потребляемая им мощность практически постоянна при изменении управляющего сигнала;

б) регулировочная характеристика М(α), где α - параметр управления, как следует из рис.11-4б (стр.282) существенно нелинейна.

Второе устройство реализует принцип широтного регулирования, при котором по сигналу управления изменяется ширина импульса основной частоты. Отличия этого устройства от предлагаемого:

1. Регулирование фазного напряжения осуществляется изменением ширины импульсов фазного напряжения основной (низкой) частоты, на которой работает двигатель.

2. Обмотка возбуждения запитывается неизменным по величине напряжением.

Эти недостатки существенны:

а) габариты, вес, инерционность широтно-имлульсного модулятора, работающего на частоте двигателя больше, чем аналогичные параметры широтно-импульсного модулятора, работающего в предлагаемом устройстве, на повышенной частоте (2-4 кГц).

Недостаток, вызванный увеличением потерь на переключение с увеличением частоты, легко преодолевается с появлением в настоящее время мощных высокочастотных транзисторов, например IT906;

б) описанное О.А.Коссовым устройство менее экономично, чем предлагаемое, так как обмотка возбуждения запитывается неизменным по величине напряжением. Если осуществлять регулирование напряжения на обеих фазах предложенным О.А.Коссовым, способом, то момент будет иметь обычную квадратичную зависимость от управляющего напряжения;

в) несмотря на то что регулирование осуществляется только по одной фазе, зависимость момента двигателя от параметра управления α, как следует из рис.11-4б (кривая 3), нелинейна.

Из сказанного ясно, что названные устройства можно рассматривать лишь как прототипы предлагаемого устройства.

Работа схемы предлагаемого устройства может быть понята из фиг.4, где в соответствии с блок-схемой:

инвертор И₂ - ПП1÷ПП4;

ключ К₂ - ПП5÷ПП7;

выпрямители В2 и В3 - соответственно Д4, Д5 и Д6, Д7;

ФСЗ-1 и ФСЗ-2 - Др2, С₂ и Др1, С₁, Д3, R₁ соответственно;

ШИМ-2 - ПП1;

выпрямитель B1 - Д1, Д2.

Широтно-импульсный модулятор ШИМ-1 может быть выполнен по одной из известных схем, например по схеме, приведенной в работе О.Г.Касаткина "Магнитный широтно-импульсный модулятор и его применение для обработки информации в непрерывной форме. - Автоматика и телемеханика №4, 1968.

Выходные "высокочастотные" (2-4 кГц) импульсы ШИМ-1 отрицательной полярности с регулируемой длительностью открывают транзистор ПП5, который управляет транзисторами ПП6, ПП7. Из схемы видно, что транзисторы ПП6 и ПП7 переключаются в противофазе: когда ПП7 открыт, ПП6 закрыт и наоборот. Транзистор ПП7, открываясь, подключает среднюю точку базовых обмоток W₂, W ₃, расположенных на выходном трансформаторе автогенератора АГ-2, к эмиттерам транзисторов ПП3, ПП4 инвертора И₂ , образуя цепь для протекания тока через базу одного из этих транзисторов (того транзистора, к базе которого приложен "минус" со стороны обмоток W₂, W₃). Если транзистор ПП7 закрыт, то цепь протекания базового тока разорвана, так как при этом между базами транзисторов ПП3, ПП4 приложено суммарное напряжение обмоток W₂, W₃ (включенных согласно) плюсом к одной базе и минусом к другой. Переход база-эмиттер, к которому приложен "плюс" заперт, что предотвращает ток от суммарного напряжения обмоток W₂, W₃ . Транзистор ПП6 подает на базы транзисторов ПП3, ПП4 положительное напряжение через диоды Д8, Д9, осуществляя форсированное запирание транзисторов ПП3, ПП4, что снижает потери на переключение.

Транзисторы ПП1, ПП2 "верхнего этажа" инвертора И₂ управляются непосредственно обмотками W₁ , W₄ трансформатора Тр АГ. Диоды Д11, Д12 проводят инверсную составляющую фазного тока в начале каждого полупериода напряжения автогенератора АГ-2. Диоды Д9, Д10 замыкают фазный ток при закрытых транзисторах ПП3, ПП4. В результате к фазе ФОД двигателя Д прикладывается напряжение, показанное на фиг.2, где Т_инв - длительность инверсного протекания тока через диоды Д11, Д12. Так как длительность Т_инв инверсного тока мала и зависит от скважности (фиг.2) практически линейно, то ее влияние на закон управления незначительно и при приближенном качественном рассмотрении может не учитываться. Управление инвертором И1 осуществляется аналогично.

Параллельно фазной обмотке ФОД к выходу И2 подключена первичная обмотка W₁ трансформатора Тр ОС. Напряжение, снимаемое с обмоток W₂, W₃ , после выпрямления выпрямителем В2 (Д4, Д5) имеет вид, показанный на фиг.3, и после сглаживания фильтром ФСЗ-1 (Др2, С₂ ) прикладывается плюсом к эмиттеру транзистора ПП1. На базу ПП1 прикладывается напряжение с выхода В3 (Д6, Д7), форма которого такая же, как на фиг.3. Поэтому транзистор ПП1 осуществляет импульсную модуляцию выходного напряжения ФСЗ-1. Фильтр Др1, С₁ , Д3, R₁ (ФСЗ-2) сглаживает промодулированное транзистором ПП1 напряжение. Диод Д₁ в этом фильтре служит для замыкания тока дросселя Др1 при закрытом транзисторе ПП1. Разность выходных напряжений фильтра ФСЗ-2 и входного выпрямителя Д1, Д2 через сопротивление R₁ подается на вход ШИМ-1, изменяя скважность импульсов его выходного напряжения в соответствии с законом (5). ШИМ-1 одновременно управляет и ключом К₁ .

Из сказанного следует, что предлагаемое устройство имеет две отличительные особенности:

1. Регулирование фазных напряжений с помощью транзисторного ключа, управляемого от широтно-импульсного модулятора и коммутирующего с повышенной частотой базовые обмотки транзисторов "нижнего этажа" мостовых инверторов, запитывающих фазные обмотки двигателя. Такой способ устраняет сквозные токи через транзисторы мостового усилителя (например, если транзистор ПП3 на фиг.3 открыт, то ПП4 закрыт и, следовательно, сквозные токи "перекрытий" через транзисторы ПП4, ПП6 исключены) и обеспечивает линейную зависимость напряжения первой гармоники фазного напряжения от регулирующего параметра - скважности.

2. Для получения линейной зависимости момента от управляющего напряжения и упрощения схемы регулирования фазных напряжений к выходу одного из инверторов параллельно фазной обмотке двигателя подключается трансформатор, имеющий два выхода, на один из которых подключается первый фильтр, а на другой через выпрямитель - вход транзистора, модулирующего выходное напряжение первого фильтра, в результате чего на выходе второго фильтра, включенного после транзистора, образуется напряжение, пропорциональное квадрату эффективного значения первой гармоники фазного напряжения, которое подается в схему сравнения с управляющим напряжением для выявления сигнала ошибки.

Обе эти особенности неразрывно связаны и дают принципиально новое устройство.

Формула изобретения

Устройство для регулирования момента двухфазного асинхронного двигателя, содержащее широтно-импульсный модулятор, трансформатор, выпрямитель, фильтр и устройство сравнения с входным сигналом, отличающееся тем, что, с целью уменьшения потребляемой мощности и улучшения регулировочных характеристик, параллельно фазной обмотке двигателя подключена первичная обмотка трансформатора, одна из выходных обмоток которого через выпрямитель и фильтр связана с эмиттерной цепью транзистора, а другая через выпрямитель - с базой этого же транзистора, причем коллектор транзистора через фильтр подключен на один из входов устройства сравнения, выход которого связан со входом широтно-импульсного модулятора.

РИСУНКИ