Устройство для управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме прерывистого движения

Авторы патента:

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к колебательным электроприводам переменного тока, с прерывистым законом движения и может быть использована при создании приводов механизмов с регулируемым прерывистым перемещением, например, приводов лентопротяжных и регистрирующих устройств, оптико-механических систем со сканированием, а также в системах испытания и контроля. Устройство для управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме прерывистого движения содержит прецизионный регулируемый блок питания постоянного напряжения, преобразователь напряжение-частота, вход которого связан с выходом прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения, инвертор, выход которого соединен с обмоткой управления двухфазного асинхронного двигателя, модулятор с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению, управляющий вход которого связан с выходом прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения, а выход - с управляющим входом инвертора и источник переменного тока, соединенного с обмоткой возбуждения двухфазного асинхронного двигателя. Выпрямитель соединен своим входом с выходом преобразователя напряжение-частота, а выходом - со вторым входом модулятора с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению, первый вход которого соединен с выходом фазосдвигающего звена, вход которого подключен к источнику переменного тока. Технический результат: расширение эксплуатационных возможностей двухфазного асинхронного двигателя, работающего в режиме прерывистого движения за счет улучшения его динамических и энергетических показателей путем устранения при запуске высокочастотных пульсаций частоты сети в кривых электромагнитного момента и скорости. 3 ил.

Известно устройство для управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме прерывистого движения [RU 88874 U1, МПК H02P 7/00 (2006.01), опубл. 20.11.2009], содержащее преобразователь 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 выходом 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, 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.

Это техническое решение выбрано в качестве прототипа.

Однако, не смотря на то, что в данном устройстве формируется шаговый режим работы исполнительного двигателя со стабилизацией амплитуды координаты подвижного элемента двигателя при регулировании частоты шага, в нем, при запуске исполнительного двигателя на заданную частоту шага в первый полупериод движения ротора в кривых электромагнитного момента и скорости наблюдаются высокочастотные пульсации частоты сети, что вызывает дополнительные динамические потери в электромеханической системе и как следствие снижение ее энергетических показателей (фиг. 1).

Задачей изобретения является расширение эксплуатационных возможностей устройства для управления двухфазным асинхронным двигателем, работающим в режиме прерывистого движения за счет улучшения его динамических и энергетических показателей путем устранения при запуске высокочастотных пульсаций частоты сети в кривых электромагнитного момента и скорости и обеспечения стабилизации амплитуды координаты подвижного элемента двигателя во время регулирования частоты шага.

Указанная задача решена за счет того, что устройство для управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме прерывистого движения, также, как в прототипе, содержит прецизионный регулируемый блок питания постоянного напряжения, преобразователь напряжение-частота, вход которого связан с выходом прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения, инвертор, выход которого соединен с обмоткой управления двухфазного асинхронного двигателя, модулятор с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению, управляющий вход которого связан с выходом прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения, а выход - с управляющим входом инвертора и источник переменного тока, соединенного с обмоткой возбуждения двухфазного асинхронного двигателя.

В отличие от прототипа выпрямитель соединен своим входом с выходом преобразователя напряжение-частота, а выходом - со вторым входом модулятора с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению, первый вход которого соединен с выходом фазосдвигающего звена, вход которого подключен к источнику переменного тока.

Таким образом, введение выпрямителя и фазосдвигающего звена позволяет создать режим прерывистого движения, расширить эксплуатационные возможности устройства, обеспечив отсутствие при запуске двухфазного асинхронного двигателя пульсаций частоты питающей сети в электромагнитном моменте и скорости.

На фиг. 1 представлены временные диаграммы изменения электромагнитного момента M(t), скорости (t) и координаты (t) подвижного элемента асинхронного двигателя при запуске на частоту для устройства-прототипа.

На фиг. 2 представлена блок-схема заявляемого устройства.

На фиг. 3 представлены временные диаграммы изменения электромагнитного момента M(t), скорости (t) и координаты (t) подвижного элемента асинхронного двигателя при запуске на частоту для заявляемого устройства.

Устройство для управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме прерывистого движения (Фиг. 2) содержит асинхронный двигатель 1 с обмотками возбуждения 2 и управления 3, прецизионный регулируемый блок питания постоянного напряжения 4 (ИБП), преобразователь напряжение-частота 5 (ПНЧ), выпрямитель 6 (В), фазосдвигающее звено 7 (ФСЗ), модулятор с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению 8 (МД), инвертор напряжения 9 (ИН) и источник переменного тока 10 (ИПТ).

Обмотка управления 3 асинхронного двигателя 1 снабжена клеммами и подключена к выходу инвертора напряжения 9 (ИН), а обмотка возбуждения 2 - к выходу источника переменного тока 10 (ИПТ). Вход инвертора напряжения 9 (ИМ) соединен с выходом модулятора с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению 8 (МД). Первый вход модулятора с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению 8 (МД) подключен к выходу фазосдвигающего звена 7 (ФСЗ), вход которого подключен к источнику переменного тока 10 (ИПТ). Второй вход модулятора с регулируемым коэффициентом передачи но напряжению 8 (МД) подключен к выходу выпрямителя 6 (В), подключенного своим входом к выходу преобразователя напряжение-частота 5 (ПНЧ). Вход управления модулятора с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению 8 (МД) и вход преобразователя напряжение-частота 5 (ПНЧ) соединены с выходом прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения 4 (ПБП).

При технической реализации макетного образца заявляемого устройства преобразователь напряжение-частота 5 (ПНЧ) был выполнен на микросхеме КР 1108ПП1. Фазосдвигающее звено 7 (ФСЗ) было выполнено по схеме фильтра второго порядка на микросхеме К140УД17. Выпрямитель 6 (В) выполнен по однополупериодной схеме на полупроводниковом диоде. Прецизионный регулируемый блок питания постоянного напряжения 4 (ИБП) реализован на основе стабилизатора компенсационного типа, обладающего малым коэффициентом пульсаций и высокой температурной стабильностью. Модулятор с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению 8 (МД) был выполнен на дифференциальном усилителе с токопитающим каскадом на базе микросхемы К1УТ981. В качестве инвертора напряжения 9 (ИН) использовался мостовой инвертор с транзисторными ключами. Роль источник переменного тока 10 (ИПТ) выполняла промышленная сеть.

Устройство работает следующим образом. Обмотка возбуждения 2 двухфазного асинхронного двигателя 1 подключается к источнику переменного тока 10 (ИПТ)

U₁₀ =U_mcos(·t),

где U_m - амплитуда источника переменного тока;

- круговая частота источника переменного тока;

t - текущее значение времени.

Обмотка управления 3 через инвертор напряжения 9 (ИН) запитывается от модулятора с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению 8 (МД).

С прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения 4 (ИБП) постоянное напряжение, пропорциональное частоте шага

U₄=k₄·f_ш ,

где k₄ - коэффициент пропорциональности;

f_ш - частота шага,

поступает на вход преобразователя напряжение-частота 5 (ПНЧ), с выхода которого снимается напряжение

U₅=k₅·U₄·sin(2··f_ш)

где k₅ - коэффициент передачи преобразователя напряжение-частота.

Выпрямитель 5 (В) преобразует входное напряжение U₅ в однополярное пульсирующее напряжение, знак которого определяется его опорным напряжением

где k₆ - коэффициент передачи выпрямителя;

=2··f_ш - круговая частота шага.

С выхода выпрямителя 5 (В) сформированное напряжение поступает на второй вход модулятора с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению 8 (МД).

Напряжение с выхода источника переменного тока 10 (ИПТ) поступает на вход фазосдвигающего звена 7 (ФСЗ), где оно сдвигается по фазе ср относительно входного напряжения на 90 градусов

U₇=k₇·U_m·sin(·t)

где k₇ - коэффициент передачи фазосдвигающего звена.

Полученные напряжения с выхода фазосдвигающего звена 7 (ФСЗ) подается на первый вход модулятора с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению 8 (МД). В результате на выходе модулятора с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению 8 (МД) формируется напряжение

где k₈ - коэффициент передачи модулятора,

которое усиливается по мощности инвертором напряжения 9 (ИН).

В результате в воздушном зазоре двухфазного асинхронного двигателя 1 формируется шаговое электромагнитное поле

где U_у - напряжение управления,

U_у=k₅·k₆·k₇·k₈·k₉·U₄ ;

/и_; - коэффициент передачи инвертора напряжения,

и ротор двигателя начинает совершать шаговые движения с частотой f_ш без высокочастотных пульсаций частоты сети в кривых электромагнитного момента и скорости (фиг. 3).

Стабилизация амплитуды шага при регулировании его частоты осуществляется также, как в прототипе.

Точность задания и поддержания частоты шага определяется стабильностью прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения 4 (ПБП), а направление движения подвижного элемента двухфазного асинхронного двигателя - полярностью выходного напряжения выпрямителя 6 (В). Регулирование амплитуды шага осуществляется за счет изменения коэффициента передачи k₉ инвертора напряжения 9 (ИН).

Так как в законе движения электромагнитного поля отсутствуют высокочастотные пульсации суммарной частоты сети, то при запуске двухфазного асинхронного двигателя в режим прерывистого движения, во время переходных процессов в электромагнитном моменте и скорости они также отсутствуют, что улучшает динамические и энергетические характеристики системы.

Кроме того, модулирование напряжения, снимаемого с фазосдвигающего звена 7 (ФСЗ) напряжением частоты производится не прямоугольным напряжением, как это имеет место в прототипе, а однополупериодным гармоническим напряжением, что повышает координатную точность всей системы в целом.

Устройство для управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме прерывистого движения, содержащее прецизионный регулируемый блок питания постоянного напряжения, преобразователь напряжение-частота, вход которого связан с выходом прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения, инвертор, выход которого соединен с обмоткой управления двухфазного асинхронного двигателя, модулятор с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению, управляющий вход которого связан с выходом прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения, а выход - с управляющим входом инвертора, и источник переменного тока, соединенного с обмоткой возбуждения двухфазного асинхронного двигателя, отличающееся тем, что выпрямитель соединен своим входом с выходом преобразователя напряжение-частота, а выходом - со вторым входом модулятора с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению, первый вход которого соединен с выходом фазосдвигающего звена, вход которого подключен к источнику переменного тока.

Устройство для управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме прерывистого движения // 144840