Устройство стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного двигателя
Владельцы патента RU 2663239:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)
Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для регулирования числа оборотов электродвигателей и может быть использовано в бытовых и промышленных инструментах, приборах специального назначения. Устройство стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного двигателя содержит выпрямитель, соединенный с широтно-импульсным преобразователем, к которому подключен однофазный коллекторный двигатель, зашунтированный последовательно соединенными обратным диодом и разрядным резистором, общая точка которых подключена к системе управления, параллельно которой подключен подстроечный резистор. Коммутирующее устройство подключено к системе управления и к широтно-импульсному преобразователю. Технический результат: устранение статической ошибки по частоте вращения вала двигателя, возникающей при ударном режиме работы. 2 ил.
Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для регулирования числа оборотов электродвигателей, и может быть использовано в бытовых и промышленных инструментах, приборах специального назначения.
Известно устройство стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного электродвигателя (SU 997216 А1, МПК5 Н02Р 5/12, опубл. 15.02.1983), содержащее электрический двигатель постоянного тока последовательного возбуждения, включенный в диагональ полууправляемого вентильного моста (усилителя мощности) и зашунтированный обратным диодом и разрядным резистором, общая точка которых подключена к входу промежуточного усилителя, состоящего из операционного усилителя и транзистора. Выход промежуточного усилителя является входом интегратора, состоящего из транзистора и конденсатора, который подключен к входу коммутирующего устройства, выполняющего функции блока управления усилителем мощности, включающего конденсатор, на котором формируется заданное напряжение, транзистор, напряжение отпирания которого является опорным напряжением.
Недостатком этого устройства является то, что однофазный коллекторный электродвигатель работает в режиме прерывистых токов в диапазоне рабочих нагрузок.
Известно устройство стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного электродвигателя (RU 2444838 С1, МПК Н02Р 7/285 (2006.01), Н02Р 7/29 (2006/01), Н02Р 7/292 (2006.01), опубл. 10.03.2012), выбранное в качестве прототипа, содержащее двигатель постоянного тока последовательного возбуждения, подключенный к широтно-импульсному преобразователю усилителя мощности и зашунтированный обратным диодом и разрядным резистором, общая точка которых подключена к входу промежуточного усилителя. Выход промежуточного усилителя является входом интегратора, состоящего из транзистора и конденсатора, который подключен к входу коммутирующего устройства, выполняющего функции блока управления усилителем мощности, включающего конденсатор, на котором формируется заданное напряжение, транзистор, напряжение отпирания которого является опорным напряжением. Усилитель мощности содержит последовательно соединенные неуправляемый выпрямитель и широтно-импульсный преобразователь. В цепи обратной связи включен компаратор.
В ударном режиме работы такого устройства, например при наличии эксцентриситета на валу двигателя, возникает дополнительная статическая ошибка регулирования при стабилизации частоты вращения вала.
Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании устройства стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного двигателя, позволяющего устранить возникающую при ударном режиме работы статическую ошибку по частоте вращения вала двигателя.
Предложенное устройство стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного двигателя, так же как в прототипе, содержит выпрямитель, соединенный с широтно-импульсным преобразователем, к которому подключен двигатель, зашунтированный обратным диодом и разрядным резистором, коммутирующее устройство.
Согласно изобретению однофазный коллекторный двигатель зашунтирован последовательно соединенными обратным диодом и разрядным резистором, общая точка которых подключена к системе управления, параллельно которой подключен подстроечный резистор, а коммутирующее устройство подключено к системе управления и к широтно-импульсному преобразователю.
В процессе работы однофазного коллекторного двигателя длительность пауз между ударными приложениями нагрузок характеризуется периодом:
T=kред/ωуд,
где Т - период ударного приложения нагрузки, с;
ωуд - частота вращения двигателя, 1/с;
kред - коэффициент передачи редуктора.
За период Т частота вращения однофазного коллекторного двигателя не успевает восстановиться до заданного значения ввиду наличия динамической и статической составляющих ошибки регулирования, поэтому частота вращения двигателя снижается до тех пор, пока частота ударных нагрузок не будет соответствовать частоте вращения вала двигателя, т.е. пока не выполнится условие, (фиг. 1):
t2=t3=…=tn=Т=kред/ωуд,
t2, t3, …, tn - время второго, третьего, n-го периода частоты вращения электродвигателя, с.
Заданная частота вращения двигателя ωзад является оптимальной для него и задается при проектировании. Это определяет необходимость в дополнительном сигнале коррекции, который подается на вход системы управления двигателя при ударном режиме работы.
В отличие от прототипа, сигнал коррекции, поступающий в систему управления от подстроечного резистора, обеспечивает равенство заданного значения частоты вращения вала двигателя требуемому значению в ударном режиме работы. Так как значения Т и kред для конкретного типа двигателя постоянны, то:
ωуд=kред/Т,
следовательно:
Δω=ωзад-ωуд,
Δω - статическая ошибка по частоте вращения электродвигателя, 1/с;
ωзад - заданная частота вращения электродвигателя, 1/с.
Такое снижение частоты вращения ωуд не зависит от статических усилий, создаваемых оператором, которыми можно пренебречь, и вызвано действием эксцентрика, например ударной дрели или перфоратора, а также зависит от диаметра сверла. Технология создания отверстий ручным инструментом ударного типа требует поддержания оптимальной для этого скорости, так как, в противном случае, существенно снижается производительность и, соответственно, увеличиваются затраты энергии на выполнение этой работы.
За счет обеспечения обратной связи по ЭДС двигателя и введения сигнала коррекции при ударном режиме работы посредством подстроечного резистора напряжение, приложенное к клеммам двигателя, повышается, вследствие чего частота вращения его вала повышается, что позволяет компенсировать статическую ошибку по частоте вращения вала двигателя (фиг. 1).
На фиг. 1 показан график изменения частоты вращения электродвигателя при ударной нагрузке.
На фиг. 2 представлена схема устройства для стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного двигателя.
Устройство стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного двигателя содержит неуправляемый выпрямитель 1 (В), подключенный к сети и к широтно-импульсному преобразователю 2 (ШИП), к которому подключен однофазный коллекторный двигатель 3 (Д), зашунтированный последовательно соединенными обратным диодом 4 и разрядным резистором 5, общая точка которых подключена к системе управления 6 (СУ), параллельно которой подключен подстроечный резистор 7. Коммутирующее устройство 8 (КУ) соединено с системой управления 6 (СУ) и с широтно-импульсным преобразователем 2 (ШИП).
Выпрямитель 1 (В) может быть реализован на базе двухполупериодной мостовой схемы [Петрович В.П. Силовая электроника: учебное пособие / В.П. Петрович, А.В. Глазачев. - Томск: Изд-во ТПУ, 2014. - С. 60-61]. Широтно-импульсный преобразователь 2 (ШИП) может быть выполнен в виде нереверсивного импульсного преобразователя [Петрович В.П. Силовая электроника: учебное пособие / В.П. Петрович, А.В. Глазачев. - Томск: Изд-во ТПУ, 2014. - С. 144-150]. Система управления 6 (СУ) реализована на базе микросхемы NE555. Коммутирующее устройство 8 может быть реализовано на базе драйвера силового MOSFET-транзистора марки TPS2812 фирмы Texas Instruments.
Устройство работает следующим образом.
При работе двигателя 3 (Д) в ударном режиме устанавливают рукоятку подстроечного резистора 7 в соответствующее положение. Запускают устройство в работу посредством подключения выпрямителя 1 (В) к сети переменного тока. Сигнал ЭДС самоиндукции, полученный от общей точки обратного диода 4 и разрядного резистора 5, поступает на вход системы управления 6 (СУ). Выходной сигнал системы управления 6 (СУ), содержащий информацию о требуемой частоте вращения однофазного коллекторного двигателя 3 (Д) в ударном режиме работы, подается на вход коммутирующего устройства 8 (КУ), которое формирует сигналы управления широтно-импульсным преобразователем 2 (ШИП). Это позволяет компенсировать динамическую составляющую ошибки регулирования, так как за счет периодического приложения ударной нагрузки скорость не успевает восстанавливаться только за счет обратной связи (фиг. 1).
Устройство стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного двигателя, содержащее выпрямитель, соединенный с широтно-импульсным преобразователем, к которому подключен двигатель, зашунтированный обратным диодом и разрядным резистором, коммутирующее устройство, отличающееся тем, что однофазный коллекторный двигатель зашунтирован последовательно соединенными обратным диодом и разрядным резистором, общая точка которых подключена к системе управления, параллельно которой подключен подстроечный резистор, а коммутирующее устройство подключено к системе управления и к широтно-импульсному преобразователю.
