СПОСОБ И УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИВОДА С ПОМОЩЬЮ ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВОГО УПРАВЛЕНИЯ
METHOD AND DEVICE FOR CONTROL OF ELECTRIC DRIVE OPERATION BY MEANS OF PULSE-PHASE CONTROL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области управления электрическими машинами с помощью так называемого импульсно-фазового управления.
Уровень техники
В современных электрических приводах, таких, например, как электродвигатели с коллектором, существует обусловленный принципом их работы фазовый сдвиг между приложенным напряжением и током двигателя. Такой фазовый сдвиг обычно зависит от нагрузки. Мощность подобных электродвигателей обычно можно бесступенчато регулировать с помощью так называемого импульсно-фазового управления. Импульсно-фазовое управление представляет собой способ регулирования мощности электрической машины, работающей от переменного напряжения. При импульсно-фазовом управлении ток двигателя включается с задержкой после прохождения переменного напряжения питания через нуль и остается включенным до следующего прохождения через нуль.
Для реализации импульсно-фазового управления можно использовать триак (симметричный триодный тиристор). Триак начинает пропускать электрический ток лишь с момента поступления отпирающего импульса и после отпирания продолжает пропускать ток до тех пор, пока он не станет ниже некоторого минимального значения, так называемого удерживающего тока. Подача отпирающего импульса в тот момент, когда определяемый фазовым сдвигом ток двигателя остается ниже удерживающего тока, не приводит к отпиранию триака. В этом случае управление электродвигателем в течение фактической полуволны не осуществляется. То же самое происходит и при подаче отпирающего импульса на триак в то время, когда он еще пропускает электрический ток. В результате этого работа электродвигателя сопровождается такими нежелательными явлениями, как, например, высокое шумообразование, повышенное электромагнитное излучение, потеря мощности и другие аналогичные эффекты.
С целью обеспечить отпирание триака всегда в том временном интервале, в котором можно ожидать ток двигателя, превышающий удерживающий ток, триак обычно отпирают лишь по истечении определенного минимального времени после прохождения приложенного напряжения через нуль. Такое минимальное время задают с таким расчетом, чтобы обеспечить отпирание триака при достаточно высокой силе тока. Поскольку фазовый сдвиг между приложенным напряжением и током двигателя зависит от нагрузки, указанное минимальное время определяется на основании фазового сдвига, который соответствует наибольшему возникающему во всей системе фазовому сдвигу, и дополнительным предохранительным временным интервалом, который должен учитывать возможные колебательные процессы в компонентах триака, например, переходные характеристики процесса переключения. Тем самым в рабочем состоянии, в котором фазовый сдвиг между приложенным напряжением и током двигателя меньше максимального фазового сдвига, увеличивается период времени, в течение которого предотвращается отпирание триака.
В результате этого помимо прочего происходит повышенное генерирование высших гармоник, которые вследствие повышенного дугообразования приводят к сокращению срока службы угольных щеток коллектора и повышают паразитное излучение от электродвигателя. Дополнительно к этому происходит дальнейший нагрев двигателя из-за повышенной мощности потерь.
В основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ и управляющее устройство для управления работой электродвигателя с помощью импульсно-фазового управления, которые позволяли бы избежать рассмотренных выше недостатков.
Краткое изложение сущности изобретения
Указанная задача решается с помощью способа управления работой электродвигателя согласно п.1 формулы изобретения, а также с помощью устройства управления электродвигателем согласно п.7 формулы изобретения.
Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.
Первым объектом изобретения является способ управления работой электродвигателя с помощью импульсно-фазового управления. Такой способ заключается в том, что к последовательно соединенным электродвигателю и переключающему элементу, прежде всего триаку, прикладывают переменное напряжение, при этом переключающий элемент переключается в открытое, т.е. токопроводящее, состояние при подаче на него отпирающего сигнала и блокирует прохождение тока, т.е. становится высокоомным, когда сила тока становится меньше удерживающего тока, определяют момент виртуального прохождения тока двигателя через нуль, каковой ток протекал бы, если бы переключающий элемент находился в проводящем состоянии, и отпирают переключающий элемент в момент отпирания, который зависит от момента виртуального прохождения тока двигателя через нуль.
Основная идея вышеописанного способа заключается в том, чтобы не задавать никакое определенное минимальное время, которое должно истечь после прохождения приложенного к электродвигателю напряжения через нуль до того момента, когда становится возможным отпирание триака. В зависимости от выявленного момента прохождения через нуль можно в соответствии с рабочим состоянием системы с электродвигателем определять наиболее ранний момент, начиная с которого вновь становится допустимым отпирание переключающего элемента. Виртуальное прохождение тока электродвигателя через нуль соответствует моменту прохождения тока двигателя через нуль при постоянно открытом (проводящем) переключающем элементе.
Переключающий элемент можно отпирать в момент, который зависит от выдаваемого управляющего воздействия, которое задает требуемую мощность электродвигателя. Таким путем можно практически бесступенчато управлять электродвигателем.
Момент виртуального прохождения тока двигателя через нуль можно определять в зависимости от момента запирания переключающего элемента. Момент запирания переключающего элемента можно прежде всего определять как момент, в который происходит скачок приложенного к переключающему элементу напряжения. Подобный вариант обеспечивает возможность особо простого детектирования или определения момента прохождения через нуль без необходимости дополнительного измерения тока.
В одном из вариантов моменты появления скачка приложенного к переключающему элементу напряжения можно определять как моменты появления скачка напряжения, в которые переключающий элемент не отпирается.
Помимо этого момент отпирания переключающего элемента можно определять прибавлением периода времени к моменту появления скачка напряжения, при этом указанный период времени задан или выбирается, например, в зависимости от частоты приложенного переменного напряжения и/или от удерживающего тока переключающего элемента. Благодаря этому можно простым путем задавать или устанавливать наиболее ранний момент отпирания переключающего элемента.
Следующим объектом изобретения является блок управления электродвигателем с помощью импульсно-фазового управления, при котором к последовательно соединенным электродвигателю и переключающему элементу, прежде всего триаку, прикладывается переменное напряжение, при этом переключающий элемент переключается в проводящее состояние при подаче на него отпирающего сигнала и блокирует прохождение тока, когда сила тока становится меньше удерживающего тока. Такой блок управления электродвигателем имеет детектирующее устройство для определения момента виртуального прохождения тока двигателя через нуль, каковой ток протекал бы, если бы переключающий элемент находился в проводящем состоянии, и управляющее устройство для отпирания переключающего элемента в момент, который зависит от момента виртуального прохождения тока двигателя через нуль.
Следующим объектом изобретения является система с вышеописанным блоком управления, электродвигателем и переключающим элементом, два последних из которых соединены последовательно.
Следующим объектом изобретения является компьютерная программа, содержащая программный код, который при его выполнении процессором данных реализует вышеописанный способ.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере некоторых предпочтительных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - схема системы с электродвигателем, триаком и блоком управления в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения и
на фиг.2 - временная характеристика сигнала, иллюстрирующая способ определения наиболее раннего момента времени отпирания триака в изображенной на фиг.1 системе.
Описание вариантов осуществления изобретения
На фиг.1 показана система 1 с электрической машиной 2, блоком 3 управления и переключающим элементом 4. Электрическая машина 2 представляет собой электродвигатель с коллектором. Такой электродвигатель 2 должен работать с переменной регулируемой мощностью. Для этого электродвигатель 2 включен в последовательную цепь с переключающим элементом 4 и (необязательным) токоограничительным резистором 8 между первой и второй линиями 5, 6 переменного напряжения. Переключающий элемент 4 в предпочтительном варианте выполнен в виде триака 4, который может принимать непроводящее (запертое) и проводящее (открытое) состояния. Триак 4 переходит в проводящее состояние, когда на его управляющий электрод подается импульс напряжения, а сила протекающего через него тока превышает определенное пороговое значение. Ток наименьшей силы, который протекает через триак 4 и при котором возможно его отпирание, называют удерживающим током. В зависимости от направления тока подобный триак 4 характеризуется прямым (положительным) удерживающим током для прямого (положительного) направления тока и обратным (отрицательным) удерживающим током для обратного (отрицательного) направления тока, которые могут быть разными.
Управление триаком 4 для реализации импульсно-фазового управления осуществляет блок 3 управления. Импульсно-фазовое управление обеспечивает возможность протекания тока двигателя только на протяжении заданной временной части от длительности полуволны тока двигателя без фазовой отсечки. Такая временная часть определяется управляющим воздействием S, выдаваемым блоком 3 управления. Управляющее воздействие S определяет мощность, с которой должно происходить управление электродвигателем 2.
В идеальном случае управление триаком 4 осуществляется в течение зависящего от управляющего воздействия S периода времени после прохождения тока двигателя через нуль, и поэтому триак остается в проводящем состоянии с момента его отпирания (с момента по истечении заданного времени после прохождения тока двигателя через нуль) до повторного достижения (приблизительно) момента прохождения тока двигателя через нуль. В результате этого подаваемая на электродвигатель 2 мощность уменьшается до некоторой части от (возможной без импульсно-фазового управления) максимальной мощности.
Сложность при этом заключается в точном определении момента прохождения тока двигателя через нуль, поскольку характеристика тока двигателя обычно не регистрируется. При импульсно-фазовом управлении также невозможно в каждой полуволне непосредственно определять момент прохождения через нуль.
W
W
Блок 3 управления подает прикладываемое к электродвигателю переменное напряжение U. В связи с наличием зависящего от нагрузки, изменяющегося фазового сдвига между переменным напряжением U, приложенным к последовательно соединенным электродвигателю 2 и триаку 4, и протекающим через электродвигатель 2 током моменты прохождения тока I двигателя через нуль невозможно точно определить. Используемый в настоящее время способ, основанный на назначении заданного минимального времени, которое должно пройти с момента прохождения приложенного к электродвигателю 2 напряжения через нуль, обладает, однако, тем недостатком, что он ориентирован на максимально возможный фазовый сдвиг между током двигателя и приложенным к нему напряжением и тем самым не оптимален для других рабочих состояний, в которых фазовый сдвиг имеет меньшую величину.
Поэтому в изобретении предлагается для определения моментов прохождения тока двигателя через нуль снимать потенциал в узловой точке К между триаком 4 и электродвигателем 2 и подавать его в детектирующее устройство 10 блока 3 управления. Обычно падение напряжения на триаке 4 в его проводящем или отрытом состоянии составляет около 2 В, а в непроводящем или запертом состоянии триака он обладает большим электрическим сопротивлением, в связи с чем к нему приложено полное переменное напряжение. Поэтому управляющее устройство 11 блока 3 управления может определять моменты переключения триака 4, детектируя скачки напряжения на нем путем контроля напряжения между второй линией 6 переменного напряжения и точкой К. Эту функцию выполняет детектирующее устройство 10. Иными словами, им детектируются скачки напряжения, возникающие при отпирании триака 4, т.е. при его переключении в проводящее состояние, и скачки напряжения, возникающие при запирании триака 4. Поскольку отпирание триака инициируется управляющим устройством 11, им могут определяться те скачки напряжения, которые возникают в моменты запирания триака 4, тогда как скачки напряжения при отпирании триака 4 остаются без учета. Скачки напряжения, возникающие при отпирании триака 4, распознаются постольку, поскольку они происходят одновременно с подачей отпирающего сигнала.
Скачок напряжения, происходящий вследствие запирания триака 4, можно использовать для определения того момента, в который триак 4 можно вновь отпереть. За момент запирания триака 4 в этом случае можно приблизительно принять момент прохождения тока двигателя через нуль. В другом варианте момент прохождения тока двигателя через нуль можно определять в зависимости от соответствующего удерживающего тока триака 4, от частоты переменного напряжения и от иных величин. Момент, в который возможно повторное отпирание триака 4, определяется путем прибавления времени запаздывания, которое равно промежутку времени до того момента, до которого ток двигателя соответствовал бы значению, которое больше соответствующего удерживающего тока триака 4.
Блок 3 управления может быть реализован, например, на базе микроконтроллера, который способен анализировать характеристики переменного напряжения и прежде всего способен анализировать разность между напряжением в точке К и напряжением второй линии 6 переменного напряжения таким образом, что возможно распознавание моментов, в которые возникают скачки напряжения вследствие переключения триака 4.
W
K
Z
A
На фиг.2 показаны временные характеристики сигналов, отражающие изменение приложенного к электродвигателю 2 переменного напряжения U, изменение запаздывающего по фазе тока I двигателя и изменение напряжения U между второй линией переменного напряжения и точкой К. Скачки напряжения распознаются в момент t отпирания и в момент t запирания триака, которые могут распознаваться блоком 3 управления.
Преимущество, связанное с согласованием с наиболее ранним из всех возможных моментом отпирания триака, состоит в возможности значительно увеличить срок службы угольных щеток благодаря уменьшению дугообразования вследствие меньшей доли высших гармоник. Помимо этого уменьшается электромагнитное излучение. В результате этого уменьшается также самонагрев электродвигателя.