Устройство для форсирования переходных процессов в многофазных механизмах с дополнительной рекуперацией энергии в цепь питания
DEVICE FOR FORCING TRANSIENTS IN MULTIPHASE MECHANISMS WITH ADDITIONAL ENERGY RECOVERY INTO THE POWER SUPPLY CHAIN

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для разработки устройств, предназначенных для форсирования переходных процессов при включении многофазной индуктивной нагрузки (реле, электромагниты, цепи управления многообмоточных электрических машин - вентильных и шаговых, быстродействующих электромагнитных приводов, клапанов и форсунок ДВС) к источнику постоянного тока или напряжения.
В настоящее время к различным устройствам автоматики предъявляются высокие требования по быстродействию исполнительных устройств (реле, электромагниты, цепи управления многообмоточных электрических машин - вентильных и шаговых, быстродействующие электромагнитные приводы клапанов и форсунок ДВС) (Попов Л.П., Чугулев А.О. Форсированное переключение тока в индуктивных нагрузках с рекуперацией энергии магнитного поля // Омский научный вестник. - 2010. - № 2, (90). - С. 145-147). Поскольку индуктивные нагрузки обладают сравнительно большой индуктивностью, переходные процессы в них протекают сравнительно медленно. Поэтому часто возникает необходимость в ускорении (форсировании) данных процессов.
Известно устройство для форсирования переходных процессов в индуктивной нагрузке (АС СССР, № 356772, H03K 6/00, опубл. 23.10.1972. Бюл. № 32), которое содержит источник низкого напряжения, источник высокого напряжения, бесконтактный управляемый ключ в цепи источника низкого напряжения (например, транзистор с обратной проводимостью), бесконтактный управляемый ключ в цепи источника высокого напряжения (например, транзистор с прямой проводимостью), шунтирующий диод и индуктивную нагрузку.
Главным недостатком известного устройства является наличие дополнительного источника высокого напряжения, что усложняет схему форсирования.
Известно также устройство для электронной форсировки тока в обмотках шагового двигателя (АС СССР, № 1265701, G05B 19/40 от 23.10.1986), содержащее резистор обратной связи, обмотку двигателя, логическую схему, ключ, демпфирующий диод, источник питания, пороговый элемент и оптроиную развязку.
Недостатком данного устройства является искусственное повышение напряжения, подаваемого на обмотку двигателя при одновременной стабилизации тока в обмотке методом ШИМ, что значительно усложняет схему форсирования, поскольку шаговый двигатель имеет n-е количество обмоток.
Кроме того, известен (свидетельство на полезную модель RU 107423, МПК Н02М 7/5387, опубл. 10.08.2011) мостовой инвертор с улучшенной рекуперацией энергии, состоящий из однофазного транзисторного моста, включающего в себя первый, второй, третий, четвертый транзистор, шунтированных первым, вторым, третьим, четвертым возвратными диодами, подключенного диагональю постоянного тока к источнику питания, а диагональю переменного тока через силовой согласующий трансформатор, к нагрузке, и систему управления, которая представляет собой типовой двухтактный широтно-импульсный модулятор, содержащий двухтактный автогенератор, двухтактный генератор пилообразного напряжения и компаратор, кроме того, дополнительно введены транзисторы рекуперации, разделительные диоды, входной диод, накопительный конденсатор и распределитель импульсов в системе управления, которое отдает в цепь питания накопленную в индуктивности за рабочий период энергию.
Недостатком данного устройства при осуществлении рекуперации энергии в цепь питания является невозможность форсирования переходных процессов при коммутации обмоток, а также невозможность применения данного устройства для многофазных электрических механизмов и машин.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство (патент RU 2654206, МПК H03K 17/04 (2006.01), опубликованный 17.05.2018 Бюл. № 14) для форсирования переходных процессов в электромеханизмах, содержащее источник постоянного тока, питающий обмотки многофазной электрической машины, связанные между собой ключевые элементы по два па каждую обмотку, диоды рекуперации по два на каждую обмотку, конденсатор электромагнитной развязки и разделительный диод.
При неоспоримых преимуществах устройства для форсирования переходных процессов в многофазных электромеханизмах недостатком известного устройства, выбранного в качестве прототипа, характерного для большинства устройств форсирования, является наличие в схеме больших перенапряжений на ключевых элементах при переключении обмоток в момент коммутации, которые могут привести к пробою ключевых элементов и снижению надежности всего устройства.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности устройства за счет исключения ситуации, при которой ключевые элементы выходят из строя из-за перенапряжений па них во время коммутации обмоток.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение КПД и энергоэффективности устройства за счет частичного возврата энергии в источник питания при сохранении функции форсирования.
Технический результат достигается тем, что в устройство для форсирования переходных процессов в многофазных электромеханизмах с дополнительной рекуперацией энергии в цепь питания, содержащее источник постоянного тока, питающий обмотки многофазного электромеханизма, связанные между собой ключевые элементы по два па каждую обмотку, диоды рекуперации по два на каждую обмотку, конденсатор электромагнитной развязки и разделительный диод, согласно изобретению дополнительно введен элемент возврата энергии в цепь питания в виде стабилитрона или супрессора, или варистора, который включен параллельно разделительному диоду таким образом, что его анод подключен к аноду разделительного диода, а катод к его катоду.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом. На фиг. 1 показана схема устройства для форсирования переходных процессов в многофазных электромеханизмах с дополнительной рекуперацией энергии в цепь питания.
Устройство для форсирования переходных процессов в многофазных электромеханизмах с дополнительной рекуперацией энергии в цепь питания, содержащее источник постоянного тока 1, обмотки многофазного электромеханизма 2, 3, 4, …n, связанные между собой ключевые элементы по два на каждую обмотку 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, диоды рекуперации по два на каждую обмотку 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, конденсатор электромагнитной развязки 21, разделительный диод 22, согласно изобретению дополнительно введен элемент возврата энергии в цепь питания 23 в виде стабилитрона или супрессора, или варистора, который включен параллельно разделительному диоду 22 таким образом, что его анод подключен к аноду разделительного диода, а катод к катоду.
Принцип действия устройства для форсирования переходных процессов в многофазных электромеханизмах с дополнительной рекуперацией энергии в цепи питания сводится к следующему. При работе устройства обмотки многофазного электромеханизма 2, 3, 4, n будут поочередно подключаться к источнику постоянного тока 1 и поочередно отключаться при помощи ключевых элементов. Когда одна из обмоток отключается от источника постоянного тока 1 образующая на ней ЭДС самоиндукции через диоды рекуперации передается в цепь питания других обмоток, одна из которых будет включаться в этот же момент. При этом перенапряжение на ключевых элементах может достигать значительных величин (фиг. 2). За счет повышенного напряжения на включаемой обмотке происходит ускоренное нарастания тока, т.е. форсирование переходного процесса. Пороговое напряжение пробоя дополнительно введенного элемента возврата энергии 23 определяется допустимым напряжением ключевых элементов, чтобы предотвратить их пробой.
В предлагаемом устройстве в качестве дополнительного элемента возврата энергии в цепь питания 23 можно использовать стабилитрон, варистор, или супрессор. Принцип действия упомянутых элементов основан на нелинейности вольт-амперных характеристик, которая возникает за счет резкого увеличения проводимости при увеличении напряжения на приборе более определенного уровня. Так как вольт-амперные характеристики стабилитрона, варистора, и супрессора качественно идентичны и различие есть лишь в параметрах, для устройств с разными параметрами нужно применять разные элементы, например: для низковольтных схем с небольшой частотой коммутации можно использовать стабилитроны, для схем с относительно большой частотой коммутации - супрессоры, для схем с повышенным напряжением - варисторы.
Когда перенапряжение в цепи питания обмоток достигает напряжения пробоя дополнительного элемента возврата энергии в цепь питания, он пробивается и осуществляет частичную рекуперацию энергии, запасенной в индуктивности отключаемой обмотки, в источник питания. При этом перенапряжение на ключевых элементах значительно снижается (фиг. 3), но остается достаточным для форсирования.
Таким образом, напряжение в цепях питания обмоток не поднимается выше напряжения пробоя дополнительного элемента возврата энергии в цепь питания, обеспечивая надежность устройства, так как ключевые элементы не подвергаются воздействию высокого напряжения. Кроме того, поскольку присутствует частичный возврат энергии в источник питания, то повышается КПД устройства по сравнению с прототипом и улучшается его энергоэффективность. Подтверждением существования технического результата являются приведенные осциллограммы (фиг. 2 и фиг. 3), полученные в ходе имитационного схемотехнического моделирования схемы в программе Electronics Workbench. На фиг. 2 показана осциллограмма напряжения в цени питания, полученная при моделировании схемы прототипа, а на фиг. 3 показана осциллограмма напряжения в цепи питания, полученная при моделировании схемы предлагаемого изобретения. Из приведенных осциллограмм видно, что в схеме прототипа (фиг. 2), напряжение в цепи питания достигает большой величины и создает опасность пробоя (вывода из строя) ключевых элементов, а при наличии дополнительного элемента рекуперации (фиг. 3), импульс перенапряжения ограничивается на уровне, определяемом этим элементом.