Устройство для управления однофазным асинхронным электродвигателем



Устройство для управления однофазным асинхронным электродвигателем
Устройство для управления однофазным асинхронным электродвигателем

 


Владельцы патента RU 2542717:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" (RU)

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах, содержащих однофазные асинхронные электродвигатели. Устройство, включающее в себя входной выпрямительный мост, конденсатор, транзисторный и обратный диодный мосты, однофазный асинхронный электродвигатель, драйверы, логический инвертор и задатчик управляющего напряжения, дополнительно снабжено преобразователем напряжения в частоту, четырехразрядным двоичным счетчиком, четырьмя ждущими мультивибраторами и двумя мультиплексорами. Введение дополнительных цифровых элементов позволило реализовать технический результат - простой и надежный способ формирования сигнала управления преобразователем частоты, обеспечивающим плавный пуск и регулирование частоты вращения электродвигателя во всем рабочем диапазоне при поддержании стабильного вращающего момента. Для реализации устройства использован весьма ограниченный набор стандартных и широко распространенных микросхем, характеризующихся малой стоимостью, весом и габаритами. 2 ил.

 

Предложение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах, содержащих однофазные асинхронные электродвигатели.

Известен цифровой модулятор для преобразователя частоты асинхронного электродвигателя (патент RU 2216850, МПК Н03К 7/08, Н02М 7/539, Н02Р 7/42, 20.11.2003), содержащий генератор прямоугольных импульсов, счетчики, триггеры, логические элементы ИЛИ, И, И-НЕ, дешифраторы, формирователь импульсов, сумматоры, регистры, двоично-шестеричный счетчик, схемы ограничения и сброса, входную и выходную шины и шину знака. Модулятор формирует на фазах асинхронного электродвигателя трехфазную квазисинусоидальную систему напряжений переменной частоты и амплитуды.

Недостаток устройства заключается в большом числе логических элементов, входящих в его состав, что снижает надежность, усложняет настройку и увеличивает стоимость, вес и габариты устройства в целом.

Известно устройство и способ управления бесщеточным двигателем, основанные на широтно-импульсной модуляции (патент US 2013/0033208, МПК Н02Р 6/16, 7.02.2013). Устройство содержит бесщеточный двигатель, подключенный к блоку задания управляющего сигнала, включающего в себя центральный процессор, цифроаналоговый преобразователь, формирователь регулируемого синусоидального напряжения, генератор несущего пилообразного напряжения, блок формирования ШИМ управляющего сигнала, блок определения полярности и мостовой однофазный инвертор на транзисторах с драйверами во входных цепях.

Недостатком устройства также является большое количество аналоговых, цифро-аналоговых и цифровых элементов, усложняющих и удорожающих его конструкцию, снижающих надежность и увеличивающих вес и габариты.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является мостовой инвертор (патент RU 2223590, Н02М 3/337, 7/219, G05F 1/56, 10.02.2004), содержащий источник питания АС-DC, однофазный транзисторный мост, шунтированный обратным диодным мостом, к выходу которых подключена первичная обмотка трансформатора, и систему управления в виде широтно-импульсного модулятора, состоящего из двухтактного генератора, генератора пилообразного напряжения, двух разделительных диодов, двух компараторов, логического инвертора и задатчика управляющего напряжения.

Недостаток инвертора заключается в том, что он работает на фиксированной частоте и его нельзя использовать в качестве преобразователя частоты для управления работой электродвигателя. Кроме того, содержащиеся в нем генераторы и компараторы усложняют его конструкцию.

Предлагаемое устройство позволяет простым и надежным способом сформировать ШИМ сигнал управления однофазным инвертором, обеспечивающим плавное регулирование скорости вращения двигателя при поддержании момента близким к постоянной величине (U/f=const).

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для управления однофазным асинхронным электродвигателем, на фиг.2 - временные диаграммы на выходах мультиплексоров MS1, MS2 и старшего разряда счетчика CT(8) при различных величинах управляющего напряжения.

Устройство содержит однофазный выпрямительный мост на диодах 1, 2, 3, 4, диагональ переменного тока которого подключена к питающей сети 5, а диагональ постоянного тока - к конденсатору 6 и к диагонали однофазного транзисторного моста на транзисторах IGBT 7, 8, 9, 10, шунтированного обратным диодным мостом на диодах 11, 12, 13, 14, выход которых соединен с обмотками асинхронного однофазного двигателя 15 (двигатель содержит две параллельно соединенные обмотки, с одной из которых последовательно включен фазосдвигающий конденсатор), драйверы 16, 17, 18, 19, связанные с затворами транзисторов 7, 8, 9, 10, логический инвертор 20 и задатчик 21 управляющего напряжения. Задатчик 21 может быть выполнен в виде потенциометра 22, запитанного от источника 23 постоянного напряжения. Устройство снабжено преобразователем 24 напряжения в частоту, четырехразрядным двоичным счетчиком 25, четырьмя ждущими мультивибраторами 26, 27, 28, 29 и двумя мультиплексорами 30, 31. Выход задатчика 21 подключен к входу преобразователя 24, с выходом которого связаны входы мультивибраторов 26, 27, 28, 29 и счетный вход счетчика 25. Первые три разряда счетчика 25 подсоединены к адресным входам «1, 2, 4» мультиплексоров 30, 31, четвертый разряд - через логический инвертор 20 и непосредственно к входам стробирования S мультиплексоров 30, 31. К первым и восьмым информационным входам («00, 07») мультиплексоров 30, 31 подключен выход мультивибратора 26, ко вторым и седьмым входам («01, 06») - выход мультивибратора 27, к третьим и шестым входам («02, 05») - выход мультивибратора 28, к четвертым и пятым входам («03, 04») - выход мультивибратора 29, а выходы мультиплексоров 30, 31 связаны с попарно соединенными между собой входами драйверов 16, 19 и 17, 18 транзисторов 7, 10 и 8, 9, расположенных в диагональных плечах транзисторного моста. Каждый из мультивибраторов 26, 27, 28, 29 снабжен своими RC-цепями, определяющими длительности формируемых мультивибраторами импульсов - Т1, Т2, Т3, Т4.

Устройство для управления однофазным асинхронным электродвигателем работает следующим образом.

При подаче на устройство питающей сети 5 выпрямительный мост на диодах 1, 2, 3, 4 и конденсатор 6 преобразуют переменное входное напряжение в постоянное, запитывающее мосты на транзисторах 7, 8, 9, 10 и диодах 11, 12, 13, 14.

В исходном состоянии движок потенциометра 22 находится в нижнем положении, и управляющее напряжение на выходе задатчика 21 равно нулю. При этом на выходе преобразователя 24 отсутствуют импульсы, на выходах мультивибраторов 26, 27, 28, 29 и мультиплексоров 30, 31 сохраняются низкие потенциалы, транзисторы 7, 8, 9, 10 закрыты и двигатель 15 неподвижен.

При выводе движка потенциометра 22 из нижнего положения вверх на выходе задатчика 21 появляется управляющее напряжение, вызывающее формирование на выходе преобразователя 24 импульсной последовательности, частота которой пропорциональна величине данного напряжения. С приходом первого импульса счетчик 25 устанавливается в нулевое состояние, и на его выходах устанавливается кодовая комбинация 0000. Под действием «0» со старшего разряда счетчика 25, поступающего через инвертор 20 и непосредственно на входы стробирования S мультиплексоров 30 и 31, разрешается работа первого из них и запрещается работа второго. Кроме того, под действием логических нулей, поступающих с младших разрядов счетчика 25 на адресные входы мультиплексора 30, он переводится в состояние, при котором с его выходом соединяется первый информационный вход («00»). Одновременно с приходом первого импульса от преобразователя 24 запускаются мультивибраторы 26, 27, 28, 29. Длительности T1, T2, Т3 и Т4 формируемых ими импульсов увеличиваются при переходе от мультивибратора с меньшим номером к большему и устанавливаются исходя из максимального приближения к классическому ШИМ сигналу во всем заданном диапазоне изменения частоты вращения электродвигателя. В результате с приходом первого импульса от преобразователя 24 на выход мультиплексора 30 проходит самый короткий (T1) импульс от мультивибратора 26, под действием которого драйверы 16, 19 открывают транзисторы 7, 10, и через обмотки электродвигателя 15 протекает импульс тока.

С поступлением от преобразователя 24 второго импульса на выходах счетчика 25 устанавливается кодовая комбинация 0001, под влиянием которой на выход мультиплексора 30 проходит импульс, формируемый мультивибратором 27. При этом транзисторы 7, 10 открываются на время T2. Аналогичным образом с приходом третьего импульса транзисторы 7, 10 открываются на время Т3, четвертого и пятого импульсов - на время Т4, шестого импульса - на время Т3, седьмого - на время T2 и восьмого - на время Т1. В результате через обмотки электродвигателя 15 протекают импульсы тока одной полярности с длительностями, близкими к ШИМ сигналу для первой полуволны синусоиды.

С приходом от преобразователя 24 девятого импульса на выходах счетчика 25 устанавливается кодовая комбинация 1000, под действием которой запрещается работа мультиплексора 30 и разрешается работа мультиплексора 31. При этом формируемый мультивибратором 26 импульс проходит на выход мультиплексора 31, открывая с помощью драйверов 17, 18 транзисторы 8, 9 и вызывая протекание через обмотки электродвигателя 15 импульса тока длительностью Т1 другой полярности. Аналогичным образом создаются и последующие импульсы тока данной полярности, формирующие вторую полуволну синусоиды.

При увеличении управляющего напряжения задатчика тока 21 увеличивается частота импульсов на выходе преобразователя 24 и частота огибающей напряжения на выходе транзисторного моста, питающего обмотки электродвигателя 15. В результате увеличивается скорость его вращения. Вместе с тем уменьшаются паузы между отдельными импульсами, иначе говоря, скважность импульсов, что вызывает увеличение напряжения, прикладываемого к обмоткам электродвигателя 15. Благодаря этому обеспечивается поддержание отношения напряжения к частоте достаточно близким к постоянной величине.

С учетом того, что для формирования полного периода питающего электродвигатель 15 напряжения требуется шестнадцать импульсов преобразователя 24, его частота (частота коммутации) должна в шестнадцать раз превосходить частоту подаваемого на электродвигатель 15 напряжения. Так, при требуемом диапазоне регулирования частоты питающего напряжения от 0 до 50 Гц частота преобразователя 24 должна меняться от 0 до 800 Гц. При этом длительности импульсов, формируемых мультивибраторами 26, 27, 28, 29, могут составлять следующие величины: Т1=0,25 мс; Т2=0,6 мс; Т3=0,85 мс; Т4=1,2 мс. Более точные значения определяются по результатам спектрального анализа полученной ШИМ последовательности. Для повышения качества питающего электродвигатель 15 напряжения может быть вдвое увеличена частота преобразователя 24 при одновременном увеличении разрядности счетчика 25 и мультиплексоров 30, 31 и удвоении числа мультивибраторов 26, 27, 28, 29.

Устройство реализуется на достаточно простых и широко распространенных микросхемах средней степени интеграции. Преобразователь 24 напряжения в частоту может быть выполнен на микросхеме КР1108ПП1, счетчик 25 - на микросхеме К155ИЕ5, мультиплексоры 30,31 - на микросхемах К155КП7, мультивибраторы 26, 27, 28, 29 - на микросхемах К155АГ3 и инвертор 20 - на микросхеме К155ЛН1.

Рассмотренный принцип формирования управляющего ШИМ сигнала может быть также распространен на преобразователь частоты для трехфазного электродвигателя.

Таким образом, предлагаемое устройство реализует достаточно простой и надежный способ управления однофазным асинхронным электродвигателем, характеризуется малыми весом, габаритами и стоимостью, легко настраивается и обладает универсальностью построения.

Устройство для управления однофазным асинхронным электродвигателем, содержащее однофазный выпрямительный мост, диагональ переменного тока которого подключена к питающей сети, а диагональ постоянного тока - к конденсатору и к диагонали однофазного транзисторного моста, шунтированного обратным диодным мостом, выход которых соединен с обмотками однофазного асинхронного двигателя, драйверы, связанные с затворами транзисторов моста, логический инвертор и задатчик управляющего напряжения, отличающееся тем, что оно снабжено преобразователем напряжения в частоту, четырехразрядным двоичным счетчиком, четырьмя ждущими мультивибраторами и двумя мультиплексорами, причем выход задатчика управляющего напряжения подключен к входу преобразователя напряжения в частоту, с выходом которого связаны входы ждущих мультивибраторов и счетный вход четырехразрядного двоичного счетчика, первые три разряда которого подсоединены к адресным входам мультиплексоров, четвертый разряд - через логический инвертор и непосредственно к входам стробирования соответственно первого и второго мультиплексора, к первым и последним информационным входам которых подключен выход первого ждущего мультивибратора, ко вторым и седьмым входам - выход второго ждущего мультивибратора, к третьим и шестым входам - выход третьего ждущего мультивибратора, к четвертым и пятым входам - выход четвертого ждущего мультивибратора, а выходы мультиплексоров связаны с попарно соединенными между собой входами драйверов транзисторов, расположенных в диагональных плечах транзисторного моста.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в статических преобразователях для бесперебойного питания ответственных потребителей трехфазного переменного тока.

Изобретение относится к области электротехники. Регулируемый стабилизатор переменного напряжения, действующий по принципу широтной модуляции, при однофазном исполнении состоит из шести транзисторов с обратными диодами, соединенных в трехфазную мостовую схему, полюсы постоянного напряжения которой присоединены к конденсатору постоянного напряжения, а три полюса переменного напряжения присоединяются следующим образом: - первый полюс через обмотку сглаживающего дросселя - к фазному вводу сети переменного напряжения; - второй полюс через обмотку сглаживающего дросселя - к фазному вводу нагрузки (потребителя); - третий полюс к общей нейтрали сети переменного напряжения и нагрузки; вводы переменного напряжения сети и нагрузки шунтируются каждый конденсатором переменного напряжения.

Изобретение относится к области электротехники и преобразовательной техники, в частности к обратимым статическим преобразователям электрической энергии, построенным по схеме двухзвенных электрических преобразователей.

Изобретение относится к системе для электропитания, содержащей по меньшей мере два приводных блока (3), имеющих по два силовых входа, и по меньшей мере один генератор энергии (G), обеспечивающий подачу электрической энергии с выбранными системной частотой и напряжением.

Изобретение относится к индукционной тепловой обработке непрерывных или дискретных изделий, в которой для управления индукцией тепловой обработкой изделий используют управление на основе широтно-импульсной модуляции или управление амплитудой.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводе электроподвижного состава переменного тока. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводе электроподвижного состава переменного тока. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для питания высоковольтных асинхронных и синхронных двигателей. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в высоковольтных устройствах, вращающейся машине или в двигателе транспортного средства для преобразования переменного тока в постоянный или наоборот или для изменения формы, амплитуды и частоты тока.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в для управления преобразователем частоты в системе двигателя. Технический результат - уменьшение потерь при коммутации. В способе управления вращающейся электрической машиной, чтобы минимизировать потери при коммутации во вращающейся электрической машине, представлен итерационный способ управления, заранее вычисляющий оптимальные коммутирующие состояния. 5 н. и 16 з.п. ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в высоковольтных частотно-регулируемых электроприводах для контроля исправности входного трансформатора и силовых ячеек. Способ самодиагностики высоковольтного преобразователя частоты, содержащего входной трансформатор и включенные в каждую из трех фаз несколько уровней силовых ячеек, каждая из которых содержит выпрямитель на тиристорах и инвертор на IGBT-транзисторах, заключается в том, что система управления проверяет исправность каждой силовой ячейки путем измерения температуры тиристоров, выходного напряжения выпрямителя, температуры IGBT-транзисторов и выходного тока инвертора, причем дополнительно проверяется состояние обмоток входного трансформатора путем измерения температуры, выходного напряжения и тока. Применение способа самодиагностики высоковольтного преобразователя частоты позволит получить технический результат - повысить надежность функционирования электропривода. 3 ил.

Устройство может быть использовано в системах частотно-токового электропривода в качестве управляемого источника тока, обладающего свойством задавать фазу тока статорных обмоток двигателя изменением угла управления вентилями. Предлагаемая схема выполняется на силовых транзисторных ключах с односторонней проводимостью с подключенным параллельно статорным обмоткам двигателя демпфирующим устройством. Основу устройства составляет полярный конденсатор, участвующий с помощью двух коммутирующих транзисторов в двухэтапном проведении коммутаций фазных токов. Способ коммутации вентилей осуществляют в два этапа, из которых первый начинают подключением с помощью коммутирующих транзисторов демпфирующего конденсатора в параллель к цепи, содержащей силовой транзистор выходящей из работы фазной обмотки асинхронного двигателя, а второй этап продолжают с момента выключения коммутирующих и указанного силового транзисторов, в результате чего получают технический результат - плавное изменение статорных токов при ограниченном уровне коммутационных перенапряжений без необходимости рассеивания избыточной энергии коммутации в разрядном резисторе. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относиться к области электротехники и может быть использовано при производстве, преобразовании и распределении электрической энергии, в частности в стабилизаторах трехфазного переменного напряжения локомотивов. Техническим результатом является обеспечение стабилизации выходного трехфазного переменного напряжения при изменении входного напряжения в широком диапазоне, уменьшение массогабаритных показателей. Указанный технический результат достигается тем, что в способе и устройстве стабилизации трехфазного переменного напряжения, в которое введены линейный дроссель, ключевой транзистор, диод и фильтровая емкость, блок управления управляет автономным инвертором напряжения по закону синусоидальной векторной широтно-импульсной модуляции. Блок управления формирует импульсы включения/выключения ключевого транзистора по разностному сигналу с элемента сравнения при входном напряжении ниже заданного значения напряжения, а при входном переменном напряжении выше заданного значения напряжения отключает ключевой транзистор и стабилизирует выходное переменное напряжение автономным инвертором напряжения по заранее вычисленной линейной характеристике в зависимости от величины постоянного напряжения на входе автономного инвертора напряжения.. Дополнительно к выходу автономного инвертора напряжения подключен трехфазный синусный фильтр, состоящий из индуктивностей, включенных последовательно с выходными фазами (U, V, W), и емкостей, включенных между выходами индуктивностей. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано на электроподвижном составе, получающем питание от однофазной сети переменного тока. Техническим результатом является максимально эффективное использование электромагнитной энергии, накопленной в цепи выпрямленного тока, для питания тяговых электродвигателей. При зонно-фазовом управлении выпрямительно-инверторным преобразователем, силовая схема которого основана на использовании IGBT транзисторов (модулей) в качестве управляемых силовых ключей, плечи, обеспечивающие работу нерегулируемой обмотки тягового трансформатора, включаются каждый полупериод напряжения в момент ωt=0 эл. град. Их выключение производится в момент, когда ωt=140-150 эл. град., что совпадает со временем выключения регулируемой обмотки тягового трансформатора. За счет такого управления обеспечивается максимальная компенсация индуктивной нагрузки и максимально потребляется активная мощность из сети и полностью используется электромагнитная энергия, накопленная в цепи выпрямленного тока.

Настоящее изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к преобразователям электрической энергии, построенным по схеме двухзвенных электрических преобразователей. Технический результат - повышение энергетической эффективности устройства, уменьшение времени подготовки преобразователя частоты к работе, повышение надежности, а также улучшение эксплуатационных характеристик. Результат достигается тем, что в схему электрического преобразователя добавлены транзистор, диод и дроссель, которые позволили организовать цепь заряда накопительного конденсатора. При этом ограничение и стабилизация тока заряда организованы с использованием полностью управляемого ключевого элемента - транзистора, работающего в режиме широтно-импульсной модуляции. Используя зарядный транзистор с незначительным номинальным током коллектора, можно реализовать систему заряда накопительного конденсатора и систему диагностики звена постоянного тока и инвертора напряжения. Предлагаемое устройство преобразователя частоты позволяет повысить энергетическую эффективность и надежность работы, а также значительно улучшить эксплуатационные характеристики. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для демпфирования крутильных колебаний во вращающейся системе. Технический результат - осуществление демпфирования колебаний без использования датчиков вращающегося момента. Система контроллера для демпфирования крутильного колебания соединена с преобразователем, который питает электрическую машину, соединенную с цепью привода, и содержит входной интерфейс, конфигурированный для приема измеренных данных, связанных с переменными преобразователя или электрической машины, и контроллер, связанный с входным интерфейсом. Контроллер вычисляет по меньшей мере одну динамическую компоненту вращающего момента вдоль секции вала цепи привода на основании данных, полученных от входного интерфейса, генерирует данные управления для преобразователя для демпфирования крутильного колебания в механической цепи привода на основании упомянутой по меньшей мере одной динамической компоненты вращающего момента и посылает данные управления в преобразователь для модулирования активной мощности, обмен которой осуществляется между преобразователем и электрической машиной. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности к преобразователям электрической энергии, построенным по схеме двухзвенных электрических преобразователей. Технический результат - повышение энергетической эффективности, уменьшение времени подготовки к работе, повышение надежности, а также улучшение эксплуатационных характеристик. Технический результат достигается тем, что в схему электрического преобразователя добавлен дроссель и зарядно-тормозная цепочка, состоящая из транзистора, двух диодов, тормозного резистора и дополнительного контакта контактора. Новые элементы и связи между ними позволили совместить и реализовать функции заряда накопительного конденсатора и тормозной цепи на одних и тех же элементах электрического преобразователя. При этом ограничение и стабилизация тока заряда и управление током торможения организованы с использованием полностью управляемого ключевого элемента - транзистора зарядно-тормозной цепочки. Предлагаемое устройство преобразователя частоты позволяет повысить энергетическую эффективность и надежность работы, а также значительно улучшить эксплуатационные характеристики. 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в вакуумных установках для плавки и термообработки металлов. Технический результат: непрерывный контроль симметрии и величины напряжения вывода индуктора относительно заземленной нейтрали питающей сети, быстрое снижение напряжения на нагрузке при увеличении контролируемого напряжения выше установленного значения, надежное и плавное выключение преобразователя при пробое вывода нагрузки на заземленную нейтраль, повышение электрического КПД индуктора, улучшение формы выходного тока. В преобразователь частоты введен четвертый мост. Нагрузка выполнена из двух параллельно соединенных секций, включенных последовательно между инвертирующими мостами двух параллельных цепей. Рассмотрен способ управления преобразователем частоты. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способу генерации напряжения, осуществляемому генераторным модулем (20) электрической сети (1) летательного аппарата, причем упомянутой электрической сети (1), содержащей линию (3) подачи электропитания, питаемую упомянутым генераторным модулем (20), шину (4) постоянного тока, питаемую от упомянутой линии (3) подачи электропитания через выпрямитель (5) и, по меньшей мере, один электропривод (9), питаемый переменным током от шины (4) постоянного тока через инвертор (8); причем способ генерации содержит этап, на котором подают напряжения (VAC) переменного тока как функцию от устанавливаемого значения напряжения и напряжения, измеренного в упомянутой бортовой сети (1) электропитания. Для получения технического результата - ограничения потерь в инверторе и ограничения его габаритов способ генерации содержит этап, на котором определяют упомянутое устанавливаемое значение напряжения как функцию от рабочего параметра (v9) упомянутого привода (9). 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх