Устройство для управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме пульсирующего движения

Авторы патента:

H02P27/04 - Управление или регулирование электрических двигателей, генераторов, электромашинных преобразователей; управление трансформаторами, реакторами или дроссельными катушками (конструкции пусковых аппаратов, тормозов или других управляющих устройств см. в соответствующих подклассах, например механические тормоза F16D, механические регуляторы скорости G05D; переменные резисторы H01C; пусковые переключатели H01H; системы для регулирования электрических или магнитных переменных величин с использованием трансформаторов, реакторов или дроссельных катушек G05F; устройства, конструктивно связанные с электрическими двигателями, генераторами, электромашинными преобразователями, трансформаторами, реакторами или дроссельными катушками, см. в соответствующих подклассах, например H01F,H02K; соединение или управление

H02P25/02 - Управление или регулирование электрических двигателей, генераторов, электромашинных преобразователей; управление трансформаторами, реакторами или дроссельными катушками (конструкции пусковых аппаратов, тормозов или других управляющих устройств см. в соответствующих подклассах, например механические тормоза F16D, механические регуляторы скорости G05D; переменные резисторы H01C; пусковые переключатели H01H; системы для регулирования электрических или магнитных переменных величин с использованием трансформаторов, реакторов или дроссельных катушек G05F; устройства, конструктивно связанные с электрическими двигателями, генераторами, электромашинными преобразователями, трансформаторами, реакторами или дроссельными катушками, см. в соответствующих подклассах, например H01F,H02K; соединение или управление

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к колебательным электроприводам переменного тока с пульсирующим законом движения, работающих со статическим моментом нагрузки и может быть использована при создании приводов силовых механизмов с регулируемым пульсирующим перемещением в технологических линиях подачи заготовок. Устройство для управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме пульсирующего движения содержит два преобразователя напряжение-частота, инвертор, выход которого соединен с обмоткой управления двухфазного асинхронного двигателя, обмотка возбуждения которого, соединена с источником переменного тока, частотный демодулятор, прецизионный регулируемый блок питания постоянного напряжения, амплитудный модулятор и сумматор, выход которого соединен с входом первого преобразователя напряжение-частота. Выход прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом частотного демодулятора, вход которого снабжен зажимами для подключения к источнику переменного тока. Второй преобразователь напряжение-частота, соединен своим входом с выходом прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения. Выход амплитудного модулятора подключен к управляющему входу инвертора. Фазовый регулятор соединен своим входом с выходом первого преобразователя напряжение-частота, а выходом - с первым входом амплитудного модулятора, второй вход которого соединен с выходом выпрямителя, подключенного своим входом к выходу второго преобразователя напряжение-частота. Технический результат: формирование пульсирующего режима работы двухфазного асинхронного двигателя с регулируемыми выходными параметрами и стабилизация их при работе со статическим моментом нагрузки. 2 ил.

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к колебательным электроприводам переменного тока, с пульсирующим законом движения, работающих со статическим моментом нагрузки и может быть использована при создании приводов силовых механизмов с регулируемым пульсирующим перемещением в технологических линиях подачи заготовок.

Известно устройство для управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме прерывистого движения [RU 88874 U1, МПК H02P 7/00 (2006.1), опубл. 20.11.2009], содержащее первый и второй преобразователи напряжение-частота, инвертор, выход которого соединен с обмоткой управления двухфазного асинхронного двигателя, частотный демодулятор, прецизионный регулируемый блок питания постоянного напряжения и сумматор, выход которого соединен с входом первого преобразователя напряжение-частота. Выход прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом частотного демодулятора, вход которого снабжен зажимами для подключения к источнику переменного тока. Второй преобразователь напряжение-частота, соединенный своим входом с выходом прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения, а выходом - с входом компаратора, выход которого соединен со вторым входом модулятора с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению, первый вход которого соединен с выходом первого преобразователя напряжение-частота. Управляющий вход модулятора связан с выходом прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения, а выход - с управляющим входом инвертора

Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.

Однако, не смотря на то, что в данном устройстве формируется режим мягкого периодического реверса и обеспечивается высокая стабильность по частоте колебаний, а также осуществляется стабилизация амплитуды координаты подвижного элемента двигателя при регулировании частоты шага оно не позволяет формировать пульсирующий режим работы исполнительного двигателя с регулируемыми выходными параметрами и осуществлять стабилизацию их при работе со статическим моментом нагрузки.

Задачей изобретения является расширение эксплуатационных возможностей устройства для управления двухфазным асинхронным двигателем, работающего в режиме прерывистого движения путем формирования пульсирующего режима работы и стабилизации амплитуды координаты подвижного элемента двигателя при наличии статического момента нагрузки.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме пульсирующего движения, так же как и прототип содержит два преобразователя напряжение-частота, инвертор, выход которого соединен с обмоткой управления двухфазного асинхронного двигателя, обмотка возбуждения которого, соединена с источником переменного тока, частотный демодулятор, прецизионный регулируемый блок питания постоянного напряжения, амплитудный модулятор и сумматор, выход которого соединен с входом первого преобразователя напряжение-частота, выход прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом частотного демодулятора, вход которого снабжен зажимами для подключения к источнику переменного тока, второй преобразователь напряжение-частота, соединен своим входом с выходом прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения, выход амплитудного модулятора подключен к управляющему входу инвертора.

В отличие от прототипа в устройство введены выпрямитель и фазовый регулятор, соединенный своим входом с выходом первого преобразователя напряжение-частота, а выходом - с первым входом амплитудного модулятора, второй вход которого соединен с выходом выпрямителя, подключенного своим входом к выходу второго преобразователя напряжение-частота.

Таким образом, введение выпрямителя и фазового регулятора позволяет создать режим пульсирующего движения, расширить эксплуатационные возможности устройства, обеспечив стабилизацию выходных параметров при работе со статическим моментом нагрузки.

На фиг.1 представлена блок схема устройства для управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме пульсирующего движения.

На фиг.2. представлены временные диаграммы работы устройства.

Устройство для управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме пульсирующего движения (фиг.1) содержит асинхронный двигатель 1 с обмоткой возбуждения 2 и управления 3, частотный демодулятор 4 (ЧД), сумматор 5 (СМ), прецизионный регулируемый блок питания постоянного напряжения 6 (ПБП), первый преобразователь напряжение-частота 7 (ПНЧ1), инвертор напряжения 8 (ИН), второй преобразователь напряжение-частота 9 (ПНЧ2), выпрямитель 10 (В), амплитудный модулятор 11 (МД) и фазовый регулятор 12 (ФР). Обмотка возбуждения 2 асинхронного двигателя 1 снабжена клеммами и подключена к источнику переменного тока частоты f₁. Выход сумматора 5 (СМ) соединен с входом первого преобразователя напряжение-частота 7 (ПНЧ1). Первый вход сумматора 5 (СМ) подключен к выходу частотного демодулятора 4 (ЧД), а второй - к выходу прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения 6 (ПБП). Вход частотного демодулятора 4 (ЧД) подключен к источнику переменного тока частоты f₁. Второй преобразователь напряжение-частота 9 (ПНЧ2), соединен своим входом с выходом прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения 6 (ПБП), а выходом - с входом выпрямителем 10 (В), выход которого соединен со вторым входом амплитудного модулятора 11 (МД), первый вход которого соединен с выходом фазового регулятора 12 (ФР), вход которого подключен к выходу первого преобразователя напряжение-частота 7 (ПНЧ1). Выход амплитудного модулятора 11 (МД) связан с управляющим входом инвертора 8 (ИН), Выход которого подключен к обмотке управления 3 асинхронного двигателя 1.

При технической реализации макетного образца заявляемого устройства частотный демодулятор 4 (ДМ) и преобразователи напряжение-частота 7 (ПНЧ1), 9 (ПНЧ2) были выполнены на микросхеме КР 1108ПП1. В качестве сумматора 5 (СМ) использовали операционный усилитель серии К140УД17. Прецизионный регулируемый блок питания постоянного напряжения 6 (ПБП) был выполнен на основе стабилизатора компенсационного типа, обладающего малым коэффициентом пульсаций и высокой температурной стабильностью. Амплитудный модулятор 11 (МД) был выполнен на аналоговом перемножителе 572 ПС2. Выпрямитель 10 (В) выполнен по однополупериодной схеме на полупроводниковых диодах и транзисторном ключе КТ315, переключающем полярность выходного напряжения. Фазовый регулятор 12 (ФР) реализован по схеме фазоопережающего звена на операционном усилителе К140УД6 с электронной перестройкой на транзисторе КП305Ж. В качестве инвертора напряжения 8 (ИН) использовался мостовой инвертор с транзисторными ключами.

Устройство работает следующим образом. При подключении обмотки возбуждения 2 асинхронного двигателя 1 непосредственно к клеммам источника переменного напряжения (сети) частоты f₁

U₁=U_m1sin(2··f₁)·t,

где U_m1 - амплитудное значение напряжения сети;

t - текущее значение времени.

Одновременно напряжение сети U₁ поступает на вход частотного демодулятора 4 (ЧД), с выхода которого снимается постоянное напряжение, пропорциональное по величине частоте питающей сети f₁

U₄=k₄f₁,

где k₄ - коэффициент передачи частотного демодулятора 4 (ЧД).

Полученное напряжение U₄ складывается на сумматоре 5 (СМ) с постоянным напряжением, поступающим с выхода прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения 6 (ПБП), пропорциональным частоте пульсаций

U₆=k₆·f_п,

где k₆ - коэффициент пропорциональности прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения 6 (ПБП);

f_п - частота пульсаций.

Полученное в результате сложения на сумматоре 5 (СМ) напряжение преобразуется первым преобразователем напряжение-частота 7 (ПНЧ1) в переменное напряжение с частотой

f₂ =k₇(k₄·f₁+k₆ f_п),

где k₇ - коэффициент передачи первого преобразователя напряжение-частота 7 (ПНЧ1).

При k₄=k₆=1/k₇ напряжение на выходе первого преобразователя напряжение-частота 7 (ПНЧ1) будет иметь вид

U₇=U_m7sin(2··f₂)·t,

где U_m7 - амплитудное значение выходного напряжения первого преобразователя напряжение-частота.

Выходное напряжение первого преобразователя напряжение-частота 7 (ПНЧ1) поступает на вход фазового регулятора 12 (ФР) где оно сдвигается по фазе на требуемую величину

U₁₂=U_m12sin[(2··f₂)·t+],

где U_m12 - амплитудное значение выходного напряжения фазового регулятора 12 (ФР);

- величина фазового сдвига выходного напряжения фазового регулятора, и подается на первый вход амплитудного модулятора 11 (МД),

Одновременно, напряжение с выхода прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения 6 (ПБП) поступает на вход второго преобразователя напряжение-частота 9 (ПНЧ2), с выхода которого снимается напряжение

U₉ =U_m9·sin(2··f_n)·t,

где U_m9 - амплитудное значение выходного напряжения второго преобразователя напряжение-частота.

Однополупериодный выпрямитель 10 (В), преобразует напряжение U₉ в однополярное напряжение, знак которого определяется опорным напряжением

Сформированное на выходе выпрямителя 10 (В) напряжение поступает на второй вход амплитудного модулятора 11 (МД).

На выходе амплитудного модулятора 11 (МД) формируется напряжение

где k₁₁ - коэффициент передачи амплитудного модулятора.

Полученное напряжение усиливается по мощности инвертором напряжения 8 (ИН) и поступает на обмотку управления 3 двухфазного асинхронного двигателя 1.

В результате взаимодействия магнитных потоков, возникающих в обмотках возбуждения 2 и управления 3 за счет приложенных напряжений U₁ и U₁₁ и при условии, что =1,57 рад, в воздушном зазоре двухфазного асинхронного двигателя возникает пульсирующие электромагнитное поле и подвижный элемент начинает совершать пульсирующие движения по закону (t) с частотой f_п.

При отсутствии постоянно действующего статического момента нагрузки (M_c =0), пульсирующий режим работы подвижного элемента асинхронного двигателя устанавливается относительно нулевого уровня, так называемого нейтралью колебаний (фиг.2, a).

При наличие постоянно действующего статического момента нагрузки (M_c0) возникает смещение нейтрали колебаний (фиг.2, б). Для ее компенсации с помощью фазового регулятора 12 (ФР) производится настройка фазы (фиг.2, в). Эффект компенсации ухода нейтрали колебаний достигается за счет создания в обмотке управления двух противодействующих электромагнитных потоков от напряжений:

;

где .

Первая составляющая электромагнитного потока от напряжения взаимодействуя с электромагнитным потоком обмотки возбуждения 2 асинхронного двигателя 1 создает основное пульсирующее электромагнитное поле (sin1), а вторая - от напряжения - небольшое компенсирующее усилие (cos0), направленное навстречу основному возмущающему электромагнитному полю.

Благодаря этому осуществляется стабилизация нейтрали колебаний (фиг.2, г).

Регулирование частоты пульсаций осуществляется за счет изменения постоянного напряжения, снимаемого с прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения 6 (ПБП), а амплитуды пульсаций - за счет изменения коэффициента передачи инвертора напряжения 8 (ИН).

Устройство для управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме пульсирующего движения, содержащее два преобразователя напряжение-частота, инвертор, выход которого соединен с обмоткой управления двухфазного асинхронного двигателя, обмотка возбуждения которого соединена с источником переменного тока, частотный демодулятор, прецизионный регулируемый блок питания постоянного напряжения, амплитудный модулятор и сумматор, выход которого соединен с входом первого преобразователя напряжение-частота, выход прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом частотного демодулятора, вход которого снабжен зажимами для подключения к источнику переменного тока, второй преобразователь напряжение-частота соединен своим входом с выходом прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения, выход амплитудного модулятора подключен к управляющему входу инвертора, отличающееся тем, что в него введены выпрямитель и фазовый регулятор, соединенный своим входом с выходом первого преобразователя напряжение-частота, а выходом - с первым входом амплитудного модулятора, второй вход которого соединен с выходом выпрямителя, подключенного своим входом к выходу второго преобразователя напряжение-частота.