Управляемый электронный модуль

Заявителем предложен управляемый электронный модуль, включающий в себя последовательно соединенные контроллер, драйвер с шестью парами независимых выходов и трехфазный инвертор, выполненный на трех транзисторных полумостах, образованных двумя последовательно включенными транзисторами, причем стоки (коллекторы) верхних транзисторов полумостов соединены с положительной шиной источника питания инвертора, а истоки (эмиттеры) нижних транзисторов каждый имеют отдельный выход, шесть пар независимых выходов драйвера соединены с управляющими входами соответствующего транзистора, выводы общих точек транзисторов полумостов образуют три выхода инвертора, причем в инвертор добавлен четвертый полумост с отдельными выводами стока (коллектора) и истока (эмиттера) и общей точки, а драйвер и контроллер дополнены элементами управления четвертым полумостом, идентичными по исполнению с элементами управления каждого из первых трех полумостов, а контроллер имеет входы аналоговых и цифровых сигналов.

Полезная модель относится к управляемым полупроводниковым преобразователям и может быть использовано в электроприводе и преобразователях.

Известны электронные модули управления вентильными двигателями постоянного и переменного тока [1]. Их недостатки - разнотипность для двигателей постоянного тока и для двигателей переменного тока, а также непригодность для управления индукторными и шаговыми двигателями, а также - ограниченные регулировочные возможности.

Известен модуль управления двигателем постоянного тока [2]. Его недостаток - ограниченные функциональные возможности, непригодность для управления двигателями других типов, ограниченные регулировочные возможности.

Прототипом предлагаемого управляемого электронного модуля является модуль управления синхронным вентильным двигателем (СВД) [3]. Его недостаток - функциональная ограниченность по типу электродвигателя и по регулировочным свойствам.

Предлагаемый управляемый электронный модуль по сравнению с прототипом решает задачи расширения функциональных возможностей на другие типы электро двигателей, а также преобразователей напряжения, формирования любых возможных регулировочных характеристик электропривода, а также, повышение массовости производства.

Поставленная задача решается тем, что в управляемый электронный модуль, включающий в себя последовательно соединенные контроллер, драйвер с шестью парами независимых выходов и трехфазный инвертор, выполненный на трех транзисторных полумостах, образованных двумя последовательно включенными транзисторами, причем стоки (коллекторы) верхних транзисторов полумостов соединены с положительной шиной источника питания инвертора, а истоки (эмиттеры) нижних транзисторов каждый имеют отдельный выход, шесть пар независимых выходов драйвера соединены каждый с управляющими входами соответствующего транзистора, выводы общих точек транзисторов полумостов образуют три выхода инвертора, в инвертор добавлен четвертый полумост с отдельными выводами стока (коллектора) и истока (эмиттера) и общей точки, а драйвер и контроллер дополнены элементами управления четвертым полумостом, идентичными по исполнению с элементами управления каждого из первых трех полумостов, а контроллер имеет входы аналоговых и цифровых сигналов.

Устройство и работу управляемого электронного модуля поясняют чертежи, Фиг.1-16.

На Фиг.1 изображена электрическая схема управляемого электронного модуля.

На Фиг.2 показана панель выводов модуля, используемых для подключения в различных устройствах.

На Фиг.3 показаны диаграммы напряжений, поясняющие принцип действия модуля.

На Фиг.4-16 показано применение модуля в различных устройствах и диаграммы напряжений, поясняющие их работу.

Управляемый электронный модуль (Фиг.1) содержит последовательно соединенные контроллер 1, драйвер четырех полумостов 2 и инвертор 3, имеющий выводы 4-14; контроллер имеет пять используемых в устройстве выводов 15-19, число которых в реальных контроллерах больше. Каждый полумост инвертора состоит из последовательно включенных транзисторов: 20-21, 22-23, 24-25 и 26-27, изображенных условно в виде разомкнутого контакта, шунтированного встречно включенным диодом. Транзисторы могут быть любого типа - биполярные, полевые или биполярные с изолированным затвором. Стоки (коллекторы) верхних транзисторов 20, 21 и 24 соединены с положительной шиной источника питания 4, сток транзистора 26 имеет отдельный вывод 5. Выход инвертора - средние точки полумостов имеют выводы 6, 7, 8 и 9. Отрицательная шина источника питания 10 и истоки (эмиттеры) транзисторов 21, 23, 25 и 27 имеют отдельные выводы 14, 13, 12, и 11 соответственно. Верхние транзисторы полумостов 20, 22, 24 и 26 соединены цепями управления 2831, а нижние 21, 23, 25 и 27 - цепями 3235 соответственно с выходами драйвера 2. Контроллер 1 восемью цепями 36-43 соединен с соответствующими входами драйвера 2, обеспечивающего по цепям 28-31 и 35-39 соответственно импульсное управление восемью транзисторами 20-27.

Работа модуля заключается в преобразовании аналоговых и цифровых сигналов, поступающих на входы 15-19 контроллера 1, в импульсные напряжения, снимаемые со средних точек полумостов 6-9 инвертора 3. Контроллер 1 в соответствии с текущими входными сигналами U_у1U_у5 и заложенной в него программой вырабатывает импульсные и широтно-имппульсные (ШИМ) сигналы U₃₆U₄₃, которые преобразуются драйвером 2 в сигналы управления 2835 полумостов, образованных парами транзисторов 20-21, 22-23, 24-25, 26-27 инвертора 3. Алгоритм преобразования сигналов управления каждым из полумостов идентичен, поэтому достаточно показать принцип управления одного полумоста, например, образованного транзисторами 20 и 21, фиг.3, где приведены временные диаграммы напряжений контроллера - U₃₆, U₄₀, драйвера - U₂₈, U₃₂ и выходного напряжения инвертора - U₆. Наличие программируемого контроллера в предлагаемом модуле позволяет использовать его для управления разомкнутых и замкнутых обратной связью электроприводов и преобразователей напряжения.

Применение модуля поясняют чертежи, фиг.4-16, на которых показаны схемы включения модуля в различных устройствах и диаграммы напряжений, поясняющие их работу. На фиг.4 приведена схема подключения двухфазных двигателей - асинхронных, синхронных, индукторных и шаговых. Контроллер в соответствии с сигналом управления Uу (код Uу) вырабатывает требуемый закон изменения напряжения на обмотках двигателя или требуемое число импульсов напряжения на обмотках шагового двигателя. Синусоидальное управление двухфазных двигателей (фиг.5) обеспечивается ШИМ напряжения питания, так что огибающие выходных напряжений модуля изменяются по законам Ud=Umsint, Uq=Umcost, где =2/Т - круговая частота, Um=t_и(max)/Tш -амплитуда огибающих напряжений; t_и(max) - максимальное значение ширины импульса t_и, изменяющейся по закону синуса, Тш - период ШИМ (Тш<<Т). Значения указанных переменных определяются и задаются контроллером в соответствии с его программой и входными сигналами. Шаговый режим (фиг.6) создается чередующимся изменением полярности напряжения питания, прикладываемого к обмоткам d и q. Напряжения Ud и Uq изменяются либо по сигналу Uу, поступающему на контроллер, либо вырабатываются контроллером в соответствии с заложенной в него программой.

Модуль с четырьмя выходами позволяет подключать и управлять двумя двигателями постоянного тока (фиг.7) либо одним двигателем вдвое большей мощности (фиг.10), где две пары полумостов инвертора 3 (фиг.1) объединяются в одну, образуя мост вдвое большей мощности. В схеме с двумя двигателями управление каждым из них происходит идентично, поэтому достаточно показать работу одного двигателя, например, M1, которую поясняют фиг.8 и 9. Управление модулем и соответственно двигателем осуществляется аналоговым сигналом Uу или цифровым последовательным кодом - «код Uу», поступающим на выводы 19 и 18 контроллера соответственно, под действием которого происходит ШИМ сигналов контроллера - U₃₆, U₄₀, U₃₇, U₄₁, драйвера - U₂₈, U₃₂, U ₂₉, U₃₃ и выходного напряжения U_Я1 , прикладываемого к двигателю Ml (фиг.8, 9).

На фиг.11 показана схема подключения 3х-фазного двигателя переменного тока, в которой четвертый полумост инвертора 3 используется для регулировки напряжения питания трех других полумостов, образующих инвертор трехфазного двигателя. Регулятор напряжения образован полумостом транзисторов 26, 27 (фиг.1) и LC-цепью, выход которой - Uи подключен к стокам трехфазного инвертора. Напряжение Uи изменяется посредством ШИМ по сигналу Uу(код Uу). На фиг.12 показана диаграмма импульсных напряжений трехфазного двигателя при 120° коммутации, при изменении амплитуды которых Uи в схеме, фиг.11, изменяется скорость двигателя.

На фиг.13 приведена схема подключения к модулю трехфазного СВД с синусоидальным трехфазным датчиком положения ротора (ДПР), обеспечивающая изменение амплитуды трехфазного переменного напряжения U_ab, U_bc , U_ac (фиг.14), подаваемого на двигатель, пропорционально входному сигналу управления модуля Uу. С изменением напряжения двигателя изменяется частота его вращения и период Т. Четвертый полумост, свободный от управления двигателем, используется здесь для подключения электромагнита или муфты К, обеспечивающей стопорение или торможение двигателя при обесточенном модуле.

Схема, фиг.15, отличается от предыдущей тем, что в ней вместо ДПР элементами обратной связи служат шунты Rш, включенные в цепи истоков транзисторов 21, 23, 25 инвертора 3 (фиг.1). Данная схема, с учетом возможностей обратной связи, реализуемой в контроллере, обеспечивает управление током трехфазного двигателя переменного тока. Данное управление по току (по моменту) может быть применено и во всех предыдущих схемах управления двигателями - двухфазных и трехфазных.

На фиг.16 показано использование модуля в качестве активного выпрямителя или корректора коэффициента мощности. Входным напряжением устройства здесь является трехфазное напряжение U_a, U_b, U_с, подаваемое на его выводы 6, 7 и 8, выходным - напряжение Uп или - регулируемое Uи, снимаемое с выхода LC-фильтра, которое изменяется под действием сигнала управления Uу.

Источники информации:

1 www.electrum-av.com, модули управления вентильными двигателями МУВД, МУКД, МУАД.

2. Б.Кричевский. Интеллектуальный мост IR3220 для управления двигателями постоянного тока. Электронные компоненты, 6, 2004.

3. Владимир Башкиров. IRAMSxx - интеллектуальные силовые IGBT - модули для электропривода широкого применения. Новости электроники. 2007, 7, с.14. (прототип)

Управляемый электронный модуль, включающий в себя последовательно соединенные контроллер, драйвер с шестью парами независимых выходов и трехфазный инвертор, выполненный на трех транзисторных полумостах, образованных двумя последовательно включенными транзисторами, причем стоки (коллекторы) верхних транзисторов полумостов соединены с положительной шиной источника питания инвертора, а истоки (эмиттеры) нижних транзисторов каждый имеют отдельный выход, шесть пар независимых выходов драйвера соединены с управляющими входами соответствующего транзистора, выводы общих точек транзисторов полумостов образуют три выхода инвертора, отличающийся тем, что в инвертор добавлен четвертый полумост с отдельными выводами стока (коллектора) и истока (эмиттера) и общей точки, а драйвер и контроллер дополнены элементами управления четвертым полумостом, идентичными по исполнению с элементами управления каждого из первых трех полумостов, а контроллер имеет входы аналоговых и цифровых сигналов.