УСТРОЙСТВО ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
ELECTRIC MOTOR POWER DEVICE

Изобретение принадлежит к области электротехники и приборостроения, относится к устройствам электропитания электродвигателей и может быть использовано в широком круге отраслей, таких как авиастроение, ракетостроение, автомобилестроение и других.
Известна стандартная система питания электрокара (Тройнин М.Ф.; Ушаков Н.С. Электрокары и электропогрузчики. Л.: Машиностроение, 264 страницы, 1973 г., с. 133-136, фиг. 83, 84), которая содержит аккумуляторную батарею, тяговый электродвигатель, ручку управления скоростью движения с возвратной пружиной, переменный резистор, регулирующий скорость вращения тягового электродвигателя, выключатель цепи питания тягового электродвигателя. При повороте ручки управления скоростью движения тяговый электродвигатель посредством выключателя цепи питания подключается к аккумуляторной батарее через переменный резистор, при этом, скорость вращения тягового электродвигателя зависит от положения ручки управления скоростью и соответствующего ее положению сопротивления переменного резистора. Максимальная тяга электродвигателя достигается соответствующим положением ручки управления скоростью, при котором происходит закорачивание переменного резистора и тяговый двигатель подключается к аккумуляторной батарее непосредственно. Недостатком указанной системы является то, что для обеспечения хорошей динамики движения и раскручивания тягового двигателя из неподвижного состояния, необходимо обеспечить высокие значения силы тока, протекающего через тяговый электродвигатель в момент начала движения, в то время как для поддержания движения требуются меньшие токи. Для обеспечения больших токов во время начала движения требуются аккумуляторные батареи большой емкости, что приводит к увеличению массы и габаритов мобильного объекта, а так как импульсы большой силы тока требуются объекту в основном только в моменты резкого изменения скорости - начало движения с места или резкое ускорение, то весь потенциал аккумуляторных батарей большой емкости будет основную часть времени простаивать и не использоваться по назначению.
Прототипом изобретения служит устройство питания мобильного объекта (патент на изобретение RU № 2085413 C1, B60L 11/18, опубликован 27.07.1997), которое содержит аккумуляторную батарею, емкостный накопитель энергии, тяговый электродвигатель, переменный резистор регулирующий скорость вращения тягового электродвигателя, зарядную цепь емкостного накопителя в виде диода, комбинацию зарядных и разрядных ключей, совмещенных с педалью управления скоростью движения. При нажатии на педаль управления скоростью движения тяговый электродвигатель, посредством замыкания ключа, связанного с педалью, через переменный резистор подключается к аккумуляторной батарее. В зависимости от положения педали управления скоростью, которая механически связанна с переменным резистором и соответствующим ее положению сопротивлением переменного резистора, изменяется скорость вращения тягового электродвигателя, при этом емкостный накопитель, который заряжается или уже заряжен от аккумуляторной батареи через диод, в работе схемы не участвует. При нажатии педали управления скоростью движения до упора, связанный с ней переменный резистор приобретает нулевой сопротивление, а емкостный накопитель через замкнутый ключ подключается параллельно к аккумуляторной батарее и тяговому электродвигателю, диод для зарядки накопителя при этом оказывается закороченным.
Недостатками указанного устройства питания мобильного объекта являются:
- ограниченное время использования емкостного накопителя. Емкостный накопитель используется только тогда, когда необходимо получить максимальную мощность от тягового электродвигателя, а во всех остальных режимах, включая случаи отбора мощности близкой к максимальной, питание осуществляется от аккумуляторной батареи. В таких режимах устройству присущи все недостатки аналога;
- частичная потеря энергии емкостного накопителя при его задействовании за счет его разряда не по цепи тягового электродвигателя, а через аккумуляторную батарею, которая во время падения на ней напряжения становиться для емкостного накопителя второй нагрузкой;
- большие провалы напряжения на аккумуляторной батарее при резких подключениях нагрузки и включении/выключении емкостного накопителя, так как напряжение на накопителе и аккумуляторной батарее могут сильно отличаться друг от друга. Резкие изменения напряжения в данной сети питания усложняют ее использование для питания какой-либо другой бортовой электронной аппаратуры и будут вынуждать к расширению диапазонов напряжения питания этой аппаратуры, либо к использованию отдельного стабильного источника питания.
Задачей изобретения является создание устройства электропитания электродвигателя с компенсацией создаваемых электродвигателем просадок напряжения питания на автономном источнике питания при больших токах нагрузки.
Компенсация просадок повышает динамические характеристики работы электродвигателя при больших нагрузках на источник питания и позволяет уменьшить мощность источника питания и соответственно его массу и габариты, а также уменьшает пульсации и всплески напряжения в данной питающей сети, что позволяет использовать общий источник питания для электродвигателя и его схемы управления.
Схема устройства питания электродвигателя приведена на чертеже.
Устройство питания электродвигателя содержит автономный источник питания (1, АИП), первый электронный ограничитель тока (2), емкостный накопитель (3), диод (4), второй электронный ограничитель тока (5), электронный регулятор тока электродвигателя (6), выключатель питания электродвигателя (7), электродвигатель (8), систему управления электродвигателем (9, СУЭ).
Минусовый вывод АИП (1) соединен со вторыми выводами емкостного накопителя (3), электродвигателя (8), со вторым минусовым выводом питания СУЭ (9). Плюсовый вывод АИП (1) соединен с первым входным выводом первого электронного ограничителя тока (2), с первым входным выводом второго электронного ограничителя тока (5), с первым плюсовым выводом питания СУЭ (9). Второй выходной вывод первого электронного ограничителя тока (2) соединен с первым выводом емкостного накопителя (3) и с анодом диода (4). Второй вывод второго электронного ограничителя тока (5) соединен с первым входным выводом электронного регулятора тока (6) и катодом диода (4), третий выходной вывод второго электронного ограничителя тока (5) соединен с третьим входным выводом первого электронного ограничителя тока (2). Второй выходной вывод электронного регулятора тока (6) соединен с первым выводом выключателя питания (7). Второй вывод выключателя питания (7) соединен с первым выводом электродвигателя (8). Третий и четвертый выходные выводы СУЭ (9) соединены с третьим входным регулирующим выводом электронного регулятора тока (6) и с третьим входным управляющим выводом выключателя питания (7) соответственно.
Автономный источник питания (1), является источником электропитания схемы устройства, в качестве которого может быть использован любой источник питания, например, источники электроэнергии на основе химических реакций, аккумуляторная батарея или их соединение, аккумулятор, гальванический элемент и другие.
Первый электронный ограничитель тока (2) предназначен для формирования токов емкостного накопителя (3). Заряжает емкостный накопитель (3) от АИП (1) до значения напряжения на АИП (1). Отключает емкостный накопитель (3) от АПП(1), когда накопитель (3) заряжен. Предельное значение тока заряда (тока ограничения) устанавливает управляющий вход ограничителя. Значения, ограничивающие ток заряда, устанавливаются через аналоговую обратную связь от второго электронного ограничителя тока (5), диапазон изменения от установленного значения до нуля. Чем больший ток протекает через второй электронный ограничитель тока (5), тем меньше порог ограничения устанавливается у первого электронного ограничителя тока (2). Если ток через второй электронный ограничитель тока (5) достигает установленного порога и ограничитель входит в режим ограничения, то значение тока ограничения первого электронного ограничителя тока (2) через обратную связь будет установлено в ноль. Установленный ток первого электронного ограничителя тока (2) всегда меньше или равен (при выключенном электродвигателе) току ограничения второго электронного ограничителя тока (5). Такая работа ограничителя (2) позволяет экономить энергию АИП (1) и эффективно перераспределять мощность АИП (1) между зарядом емкостного накопителя (3) и электродвигателем (8) в зависимости от его нагрузки. Первый электронный ограничитель тока (2) может быть построен по любой типовой электрической схеме, линейной или импульсной. При этом в цепь управления сопротивлением канала схемы ограничителя добавляется входная цепь (обозначена как третий вывод входной, управляющий) для внешнего изменения порога ограничителя и ограничения диапазона изменения сопротивления канала (сопротивления биполярного транзистора, канала полевого транзистора и других полупроводниковых элементов). Вывод добавляется для подключения обратной связи от второго электронного ограничителя тока (5). Обратная связь может быть как аналоговой, так с цифроаналоговым преобразованием.
Второй электронный ограничитель тока (5) предназначен для формирования без ограничения максимального тока в цепи АИП (1), электродвигатель (8), когда значение напряжения АИП (1) находится в пределах допустимых значений напряжения питания СУЭ (9) и для ограничения тока нагрузки в цепи АИП (1), электродвигатель (8), когда его значение снижает значение напряжения АИП (1) ниже допустимого минимального значения питания СУЭ (9). Второй электронный ограничитель тока (5) управляет режимами работы первого электронного ограничителя тока (2) и диода (4). С третьего выходного вывода по аналоговой обратной связи выдает значение, пропорциональное току, протекающему через второй ограничитель тока (5), для управления порогом ограничения первого электронного ограничителя тока (2). В режиме работы без ограничения обеспечивает работу ограничителя тока (2) с максимальным порогом ограничения и значение напряжения на аноде и катоде диода (4), выключающие диод (4). В режиме ограничения обеспечивает работу ограничителя тока (2) с минимальным порогом ограничения и значением напряжения на аноде и катоде, включающие диода (4). Ограничитель тока может быть построен по любой типовой электрической схеме, линейной или импульсной. При этом в схему ограничителя добавляются элементы, при необходимости, и выходная цепь (обозначена как третий вывод выходной, управляющий) для вывода значения, пропорционального протекающему току через выход ограничителя. Вывод добавляется для подключения обратной связи к первому электронному ограничителю тока (2). Обратная связь может быть как аналоговой, так и с цифроаналоговым преобразованием.
Емкостный накопитель (3) предназначен для накопления электрической энергии с целью уменьшения просадок напряжения и повышения пиковой мощности электропитания электродвигателя. Емкость накопителя определяется исходя из соотношения значений среднего и импульсного тока потребления электродвигателя (8), скважности импульсного потребления, мощности АИП (1) и максимально допустимого падения напряжения на ней. Например, при среднем потреблении тока шаговым электродвигателем в 30 А и импульсном до 100 А раз в 32 мс на время 5 мс при питании от АИП (1) напряжением 24 В с допустимой просадкой напряжения до 19 В емкость накопителя должна составлять не менее 1,5 Ф.
Диод (4) предназначен для отключения емкостного накопителя (3) отцепи электродвигателя (8), когда напряжение АИП (1) имеет значения в пределах напряжения питания СУЭ (9), и для подключения емкостного накопителя (3) для уменьшения токовой нагрузки на АИП (1) и компенсации нагрузочной просадки. Отключая накопитель (3) от цепи электродвигателя, диод (4) экономит электроэнергию АИП (1). Экономия, отключение ненужного потребления тока, происходит в первом режиме работы, когда накопитель (3) сохраняет заряд или заряжается от АИП (1), и во втором режиме работы с высокой нагрузкой, когда у накопителя (3) исчерпан заряд, а электродвигатель продолжает работать в этом режиме.
Электронный регулятор тока электродвигателя (6) предназначен для установки необходимого момента и скорости вращения вала электродвигателя (8) посредством установки соответствующего напряжения на его обмотках. Электронный регулятор тока электродвигателя (6) может быть построен по любой типовой электрической схеме регулируемого стабилизатора напряжения, линейной или импульсной (в зависимости от типа электродвигателя (8)), с возможностью установки выходного напряжения с помощью внешнего аналогового или цифрового сигнала.
Выключатель питания электродвигателя (7) предназначен для электронного включения и выключения электродвигателя путем подачи или снятия с него напряжения, путем внешнего управления аналогового или цифрового, в моменты, когда это необходимо (начало движения, остановка и другие ситуации). Выключатель питания электродвигателя (7) может быть построен на основе электромагнитного реле, пускателя, транзистора, тиристора и т.д.
Электродвигатель (8) предназначен для преобразования электрической энергии АИП (1) в механическую энергию вращения вала электродвигателя (8), при этом электродвигатель может быть коллекторным, бесколлекторным, шаговым и т.д. Выводы фаз шаговых и других многофазных электродвигателей подключаются аналогично и параллельно первому выводу электродвигателя (8) к ограничителю тока (5) и СУЭ (9) через свои цепи управления регулятор тока (6), выключатель питания (7) и имеют свои регулирующие и управляющие цепи от СУЭ (9).
Система управления электродвигателем (9) предназначена для управления вращением вала электродвигателя, по какой либо программе, посредством установки режимов работы электронного регулятора тока электродвигателя (6) и выключателя питания электродвигателя (7) аналоговым или цифровым сигналом. СУЭ (9) реализуется на микропроцессоре или микроконтроллере.
Устройство питания электродвигателя работает следующим образом.
До начала вращения электродвигателя (8), СУЭ (9) удерживает выключатель питания электродвигателя (7) в разомкнутом состоянии и питание на электродвигатель (8) не подается. При этом от АИП (1) происходит заряд (или подзаряд) емкостного накопителя (3) через электронный ограничитель тока емкостного накопителя (2) до значения напряжения АИП (1).
Для начала вращения вала электродвигателя (8) СУЭ (9) включает выключатель питания (7) и выставляет электронным регулятором тока (6) напряжение на электродвигателе (8) для получения необходимого момента и скорости вращения электродвигателя (8). Если в установленном режиме ток нагрузки через электродвигатель (8) не понижает значение напряжения АИП (1) ниже минимального значения диапазона напряжения питания СУЭ (9), то второй электронный ограничитель тока (5) не переходит в режим ограничения и проводит наибольший ток на электродвигатель (8), а его третий выходной вывод по обратной связи устанавливает наибольший предельный ток для первого электронного ограничителя тока (2). Первый электронный ограничитель тока (2) током не более предельного заряжает (до заряжает) емкостный накопитель (3), если ранее он был разряжен. Напряжение на аноде диода (4) имеет значение меньше или равное напряжению на его катоде, диод выключен, электродвигателю (8) достаточно энергии АИП (1). На данном этапе емкостный накопитель (3) находится в режиме заряда или сохранения заряда и отключен от цепи электродвигателя (8) и в его работе не участвует.
Если в установленном режиме ток нагрузки через электродвигатель (8) понижает значение напряжения АИП (1) ниже минимального значения диапазона напряжения питания СУЭ (9), то второй электронный ограничитель тока (5) переходит в режим ограничения тока через электродвигатель (8) и поддерживает его на этом уровне, третий выходной вывод по обратной связи синхронно устанавливает режим первому электронному ограничителю тока (2), вводя его в ограничение тока до нулевых значений. Первый электронный ограничитель тока (2) в таком режиме не заряжает емкостный накопитель (3) и отключает его от АИП (1). Напряжение на катоде диода (4) устанавливается меньше напряжения на его аноде, диод включается. На данном этапе емкостный накопитель (3) подключается параллельно к цепи электродвигателя (8) и за счет малого внутреннего сопротивления быстро начинает отдавать накопленную ранее от АИП (1) энергию в цепь электродвигателя (8). При установленном в данный момент режиме электродвигателя (8) и соответственно постоянстве его тока нагрузки суммирование тока емкостного накопителя (3) повышает напряжение в цепи нагрузки и уменьшает ток нагрузки в цепи АИП (1) и соответственно повышает напряжение АИП (1) на время отдачи накопленного заряда емкостного накопителя (3) в цепь нагрузки. Напряжение на АИП (1) повышается до значения выше минимального значения диапазона напряжения питания СУЭ (9).
Применение емкостного накопителя (3), который задействуется автоматически, как только появляется необходимость создания повышенной тяги от электродвигателя (8), и обеспечивает пропускание через электродвигатель (8) больших импульсов тока и повышает его пиковые динамические характеристики в нужный момент времени. Применение связки двух электронных ограничителей тока (2) и (5) обеспечивает разряд емкостного накопителя (3) только через электродвигатель (8). При этом, установленный у одного из ограничителей (5) и управляемый у второго (2) порог пропускаемого тока, позволяет удерживать падение напряжения на АИП (1) в допустимом диапазоне, для сохранения напряжения питания СУЭ (9) электродвигателем в корректной зоне, избегая больших провалов.
Технический результат заключается в повышении динамических свойств работы электродвигателя при больших токах нагрузки.
Таким образом, заявлено устройство питания электродвигателя, содержащее АИП, емкостный накопитель, диод, электродвигатель, выключатель питания и электронный регулятор тока электродвигателя, причем, минусовой вывод АИП соединен со вторым выводом емкостного накопителя и со вторым выводом электродвигателя, при этом дополнительно введены СУЭ электродвигателем, первый электронный ограничитель тока, второй электронный ограничитель тока, причем, минусовой вывод АИП соединен со вторым минусовым выводом питания СУЭ, плюсовой вывод АИП соединен с первым плюсовым выводом питания СУЭ, с первым входным выводом первого электронного ограничителя тока, с первым входным выводом второго электронного ограничителя тока, второй выходной вывод первого электронного ограничителя тока соединен с первым выводом емкостного накопителя и с анодом диода, второй вывод второго электронного ограничителя тока соединен с первым входным выводом электронного регулятора тока электродвигателя и катодом диода, третий выходной вывод второго электронного ограничителя тока соединен с третьим входным выводом первого электронного ограничителя тока, второй выходной вывод электронного регулятора тока электродвигателя соединен с первым выводом выключателя питания электродвигателя, второй вывод которого соединен с первым выводом электродвигателя, третий и четвертый выходные выводы СУЭ соединены с третьим входным регулирующим выводом электронного регулятора тока электродвигателя и третьим входным управляющим выводом выключателя питания.