УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫМ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
THREE-PHASE ASYNCHRONOUS MOTOR CONTROL DEVICE

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в регулируемых электроприводах, содержащих трехфазные асинхронные электродвигатели.
Известен трехфазный мостовой автономный инвертор напряжения (Электротехнический справочник, т. 2, Москва, Энергоатомиздат, 1986 г., стр. 663), вход которого подключен к источнику постоянного напряжения, а выход - к нагрузке, и содержащий трехфазный тиристорный мост, шунтированный обратным диодным мостом, и схему управления. Схема управления вырабатывает сигналы включения тиристоров, длящиеся в течение половины периода и сдвинутые по отношению к моменту включения соответствующего тиристора соседней фазы на треть периода. При этом формируемые на выходе инвертора линейные напряжения имеют прямоугольную форму. Недостатком устройства является низкое качество генерируемого напряжения, содержащего большое количество высших гармоник.
Известен способ и устройство формирования широтно-импульсных сигналов управления автономного инвертора для частотно-регулируемого асинхронного двигателя (патент RU 2389128, МПК H02P 27/08, H02M 5/453, H02M 7/5395, 12.12.2008), включающего в себя три полумоста управляемых ключей и три полумоста неуправляемых обратных вентилей. Каждый из полумостов фазы инвертора содержит последовательно соединенные первый и второй ключи, подключенные соответственно к первому и второму выводам источника питания, а средней точкой - к соответствующей фазе асинхронного двигателя. Устройство управления инвертором содержит задатчик частоты, блок формирования фазы, трехфазный формирователь синусоидальных напряжений, блок перемножения, функциональный преобразователь, трехканальный коммутатор, блок сравнения, коммутатор уровня, формирователь импульсов управления ключами инвертора, блок формирования коммутационных интервалов, пороговый блок, коммутатор, задатчик опорной частоты и генератор опорного пилообразного напряжения.
Недостаток устройства заключается в большом количестве аналоговых и логических элементов, входящих в состав устройства управления инвертором, что снижает надежность, усложняет настройку и увеличивает стоимость, вес и габариты устройства в целом.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является цифровой модулятор для преобразователя частоты асинхронного электродвигателя (патент RU 2216850, МПК H03K 7/08, H02M 7/539, H02P 7/42, 20.11.2003), содержащий генератор прямоугольных импульсов, счетчики, триггеры, логические элементы ИЛИ, И, И-НЕ, дешифраторы, формирователь импульсов, сумматоры, регистры, двоично-шестеричный счетчик, схемы ограничения и сброса, входную и выходную шины и шину знака.
Недостаток устройства также заключается в большом количестве разнотипных логических элементов, работающих по достаточно сложному алгоритму, что существенно увеличивает трудоемкость изготовления и настройки схемы управления, снижает ее надежность и увеличивает габариты, вес и стоимость изделия.
Предлагаемое устройство реализует простой и надежный способ формирования приближенного к ШИМ сигнала управления трехфазным инвертором, обеспечивающего плавное регулирование скорости вращения двигателя при поддержании момента близким к постоянной величине (U/f=const).
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для управления трехфазным асинхронным двигателем, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений на выходах мультиплексоров и инвертора напряжения, входящих в состав устройства.
Устройство содержит силовой трехфазный мост на IGBT транзисторах 1, 2, 3, 4, 5, 6, шунтированный обратным мостом на диодах 7, 8, 9, 10, 11, 12, вход которого подключен к источнику 13 постоянного напряжения, а выход - к фазам A, B, C асинхронного двигателя 14. С затворами транзисторов 1, 2, 3, 4, 5, 6 связаны драйверы 15, 16, 17, 18, 19, 20. Устройство содержит также задатчик 21 управляющего напряжения, например, в виде потенциометра 22, подключенного к источнику напряжения 23. Устройство дополнительно снабжено преобразователем 24 напряжения в частоту, пятиразрядным двоичным счетчиком-делителем 25 на 24 (4×6) состояния, четырьмя ждущими мультивибраторами 26, 27, 28, 29 и девятью мультиплексорами 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38. При этом задатчик 21 подключен к входу преобразователя 24, с выходом которого связаны входы мультивибраторов 26, 27, 28, 29 и счетный вход счетчика 25, первые два разряда которого подсоединены к адресным входам мультиплексоров 30, 31, 32, последние три разряда - к адресным входам мультиплексоров 33, 34, 35, 36, 37, 38. К информационным входам мультиплексора 30 подключены, в порядке очередности, выходы мультивибраторов 26, 27, 28, 29, к информационным входам мультиплексора 31 - выходы мультивибраторов 29, 28, 27, 26 и к первым трем информационным входам мультиплексора 32 - уровень логической единицы 39, а к четвертому информационному входу мультиплексора 32 - выход мультивибратора 29. К первым трем информационным входам мультиплексора 33 подсоединены выходы мультиплексоров 30, 32, 31, а к трем последним информационным входам - уровень логического нуля 40. К первым трем информационным входам мультиплексора 34 подключен уровень логического нуля 40, а к четвертому, пятому и шестому информационным входам - выходы мультиплексоров 30, 32, 31. К первому, второму и шестому информационным входам мультиплексора 35 подсоединен уровень логического нуля 40, а к третьему, четвертому и пятому информационным входам - выходы мультиплексоров 30, 32, 31. К первому, второму и шестому информационным входам мультиплексора 36 подключены выходы мультиплексоров 32, 31, 30, а к третьему, четвертому и пятому информационным входам - уровень логического нуля 40. К первому, пятому и шестому информационным входам мультиплексора 37 подсоединены выходы мультиплексоров 31, 30, 32, а ко второму, третьему и четвертому информационным входам - уровень логического нуля 40. К первому, пятому и шестому информационным входам мультиплексора 38 подключен уровень логического нуля 40, а ко второму, третьему и четвертому информационным входам - выходы мультиплексоров 30, 32, 31. Выходы мультиплексоров 33,34 через драйверы 15, 16 связаны с затворами транзисторов 1, 2 фазы A, выходы мультиплексоров 35, 36 через драйверы 17, 18 - с затворами транзисторов 3, 4 фазы B, выходы мультиплексоров 37, 38 через драйверы - с затворами транзисторов 5, 6 фазы C.
Устройство для управления трехфазным асинхронным двигателем работает следующим образом.
В исходном состоянии движок потенциометра 22 находится в нижнем положении и управляющее напряжение на выходе задатчика 21 равно нулю. При этом на выходе преобразователя 24 отсутствуют импульсы, на выходах мультивибраторов 26, 27, 28, 29 и мультиплексоров 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 сохраняются низкие потенциалы, транзисторы 1, 2, 3, 4, 5, 6 закрыты и двигатель 14 неподвижен.
При выводе движка потенциометра 22 из нижнего положения вверх на выходе задатчика 21 появляется управляющее напряжение, вызывающее формирование на выходе преобразователя 24 импульсной последовательности, частота которой пропорциональна величине данного напряжения. С приходом импульсов от преобразователя 24 запускаются мультивибраторы 26, 27, 28, 29. Длительности T1, T2, T3 и T4 формируемых ими импульсов увеличиваются при переходе от мультивибратора с меньшим номером к большему и устанавливаются исходя из максимального приближения к классическому ШИМ сигналу во всем заданном диапазоне изменения частоты вращения двигателя. Одновременно с приходом импульсов в счетчике 25 последовательно записываются кодовые комбинации от 00000 (1-я) до 11101 (24-я). При этом кодовые комбинации на адресных входах мультиплексоров 30, 31, 32 меняются с приходом каждого очередного импульса и повторяются через каждые четыре импульса, а кодовые комбинации на адресных входах мультиплексоров 33, 34, 35, 36, 37, 38 меняются с приходом каждого четвертого импульса и повторяются через каждые двадцать четыре импульса преобразователя 24. Каждой комбинации (например, «00» для мультиплексоров 30, 31, 32 или «000» для мультиплексоров 33, 34, 35, 36, 37, 38) на адресных входах мультиплексора соответствует подключение того или иного (в частности первого) информационного входа к выходу мультиплексора. В результате на выходе мультиплексора 30 появляется импульсная последовательность - d (фиг. 2), состоящая из повторяющихся пачек импульсов от мультивибраторов 26, 27, 28, 29, нарастающих по длительности. На выходе мультиплексора 31 появляется импульсная последовательность - e, состоящая из повторяющихся пачек импульсов от мультивибраторов 29, 28, 27, 26, убывающих по длительности. А на выходе мультиплексора 32 появляются повторяющиеся импульсы - f длительностью чуть меньше четырех периодов следования входных импульсов от преобразователя 24.
a
a
В свою очередь, из указанных трех импульсных последовательностей мультиплексор 33 формирует последовательность - 1, мультиплексор 34 - последовательность - 2, мультиплексор 35 - последовательность - b1, мультиплексор 36 - последовательность - b2, мультиплексор 37 - последовательность - c1 и мультиплексор 38 - последовательность - c2.
ab
bc
ca
Полученные импульсные последовательности поступают через драйверы 15, 16, 17, 18, 19, 20 на затворы соответствующих транзисторов 1, 2, 3, 4, 5, 6 инвертора, под действием которых на выходах инвертора формируются линейные напряжения - U, U, U (фиг. 2). С увеличением управляющего напряжения задатчика 21 и частоты преобразователя 24 уменьшается скважность входящих в последовательности импульсов и увеличивается действующее значение линейных напряжений. При этом обеспечивается относительное постоянство соотношения напряжения и частоты, а следовательно, и постоянство момента, создаваемого двигателем. Таким образом, в предлагаемом устройстве с помощью простой и надежной схемы управления достигается получение близкой синусоидальной и оптимальной по величине напряжения и частоты системы трехфазного напряжения, питающего двигатель.
Для реализации устройства требуется минимальное количество однотипных логических элементов. Преобразователь 24 может быть реализован на микросхеме КР1108ПП1, счетчик 25 - на последовательно соединенных триггере К155ТВ1 и счетчике-делителе К155ИЕ4, мультивибраторы 26, 27, 28, 29 - на микросхемах К155АГ3, мультиплексоры 30, 31, 32 - на микросхемах К155КП2 и мультиплексоры 33, 34, 35, 36, 37, 38 - на микросхемах К155КП7.
Для повышения качества питающего двигатель 14 напряжения может быть вдвое увеличена частота преобразователя 24 при одновременном увеличении разрядности счетчика 25 и мультиплексоров 30, 31, 32 и удвоении числа мультивибраторов 26, 27, 28, 29.
Устройство практически не требует настройки, за исключением регулировки длительностей T1, T2, T3, T4 импульсов, формируемых мультивибраторами 26, 27, 28, 29.
Устройство характеризуется высокой надежностью, низкой стоимостью и обладает малыми весом и габаритами.