ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при реализации приводных механизмов в промышленных установках и на транспорте.
Электроприводы постоянного тока, выполненные по структуре «источник постоянного напряжения - мостовой коммутатор - электродвигатель» и содержащие блок управления коммутатором с широтно-импульсной модуляцией питающего электродвигатель напряжения по сигналам обратной связи, получили достаточно широкое распространение (SU 972641 A, Н02Р 5/06, 07.11.1982; RU 94015565 A1, Н02Р 7/29, 10.04.1997; RU 96107144 А, 27.07.1998; RU 2037263 C1, H02P 5/16, 09.06.1995).
Однако в известных электроприводах отрицательное влияние на работу электропривода оказывают дифференциальные (между входами электродвигателя) и синфазные (на входах электродвигателя относительно корпуса) переменные составляющие выходного напряжения коммутатора, вызывающие электромагнитные помехи, приводящие к паразитным токам через емкости электропроводки, обмоток электродвигателя, встроенных в электродвигатель фильтров радиопомех и увеличивающие потери в магнитопроводе электродвигателя, что ограничивает частоту и скорости переключения ключей коммутатора.
Задачей полезной модели является создание электропривода постоянного тока с электродвигателем, питающимся отфильтрованным от дифференциальных и синфазных переменных составляющих
напряжением. Достигаемый технический результат выражается в улучшении технических характеристик: снижении уровня электромагнитных помех, уменьшении габаритов и повышении к.п.д. электропривода.
Для получения указанного технического результата предложенный электропривод постоянного тока содержит подключенные параллельно к источнику постоянного напряжения входной конденсаторный фильтр и коммутатор, ключи которого соединены между собой по схеме Н-моста, дифференциальный фильтр и синфазный фильтр, подключенные последовательно к выходной диагонали коммутатора, электродвигатель постоянного тока, подключенный по цепи питания к одному выходному выводу синфазного фильтра через датчик тока, а к другому -непосредственно и связанный корпусом с общим выводом данного фильтра, блок управления, входы обратной связи по напряжению и току которого соединены с выходами соответственно дифференциального фильтра и датчика тока, а выходы подключены к управляющим входам ключей коммутатора.
Получению технического результата способствуют частные существенные признаки полезной модели.
Источник постоянного напряжения выполнен с возможностью потребления тока.
Дифференциальный фильтр состоит из дросселя с двумя намотанными бифилярно обмотками, резистора и конденсатора, причем начало первой обмотки и конец второй обмотки являются входными выводами фильтра, а конец первой обмотки и начало второй обмотки соединены со свободными выводами последовательно-включенных резистора и конденсатора и являются выходными выводами фильтра.
Синфазный фильтр состоит из дросселя с двумя намотанными бифилярно обмотками и двух конденсаторов, причем начала обмоток являются входными выводами фильтра, а их концы через конденсаторы
соединены с общим выводом фильтра и являются его выходными выводами.
Блок управления состоит из двух усилителей, входы которых являются входами обратной связи соответственно по напряжению и току, и последовательно подключенных к выходам усилителей аналого-цифрового преобразователя, цифрового контроллера и широтно-импульсного модулятора, выходы которого являются выходами блока управления.
Ключи коммутатора содержат встречно-параллельно включенные диоды.
На фиг.1 представлена общая функциональная схема предложенного электропривода постоянного тока, а на фиг.2 показана функциональная схема используемого блока управления.
Электропривод (фиг.1) включает в свой состав источник 1 постоянного напряжения, входной конденсаторный фильтр 2, коммутатор 3 с ключами 4-7, дифференциальный фильтр 8 с дросселем 9, резистором 10 и конденсатором 11, синфазный фильтр 12 с дросселем 13 и конденсаторами 14, 15, датчик 16 тока, например токовый шунт, электродвигатель 17 и блок 18 управления с усилителями 19, 20 (фиг.2), аналого-цифровым преобразователем 21, цифровым контроллером 22 и широтно-импульсным модулятором 23.
К источнику 1 постоянного напряжения подключены параллельно входной конденсаторный фильтр 2 и коммутатор 3. Ключи 4-7 коммутатора 3 соединены между собой по схеме Н-моста. Дифференциальный фильтр 8 и синфазный фильтр 12 подключены последовательно к выходной диагонали коммутатора 3. Электродвигатель 17 постоянного тока подключен по цепи питания к одному выходному выводу синфазного фильтра 12 через датчик 16 тока, а к другому - непосредственно и связан корпусом с общим выводом фильтра 12. Входы обратной связи по напряжению и току блока 18 управления соединены с выходами
соответственно дифференциального фильтра 8 и датчика 16 тока, а выходы подключены к управляющим входам ключей 4-7 коммутатора 3.
Источник 1 постоянного напряжения выполнен с возможностью потребления тока, т.е. содержит, например, буферную аккумуляторную батарею или конденсаторный модуль.
В дифференциальном фильтре 8 начало первой и конец второй намотанных бифилярно обмоток дросселя 9 являются входными выводами фильтра, а конец первой и начало второй обмоток соединены со свободными выводами последовательно включенных резистора 10 и конденсатора 11 и являются выходными выводами фильтра.
В синфазном фильтре 12 начала намотанных бифилярно обмоток дросселя 13 являются входными выводами фильтра, а их концы через конденсаторы 14, 15 соединены с общим выводом фильтра и являются его выходными выводами.
В блоке 18 управления входы усилителей 19 и 20 являются входами обратной связи блока 18 управления соответственно по напряжению и току. Аналого-цифровой преобразователь 21, цифровой контроллер 22 и широтно-импульсный модулятор 23 последовательно подключены к выходам усилителей 19 и 20. При этом выходы широтно-импульсного модулятора 23 являются выходами блока 18 управления.
Ключи 4-7 коммутатора 3 содержат встречно-параллельно включенные диоды.
Работа электропривода происходит следующим образом.
При включении источника 1 постоянного напряжения подается питание на коммутатор 3. Переключение ключей 4-7 коммутатора 3 осуществляется сигналами с выходов блока 18 управления. В формировании широтно-модулированных управляющих сигналов участвуют усилители 19 и 20, воспринимающие сигналы обратной связи соответственно по напряжению и току с выходов дифференциального
фильтра 8 и датчика 16 тока, аналого-цифровой преобразователь 21, цифровой контроллер 22 и широтно-импульсный модулятор 23.
п
4 вкл
п
6 вкл
п
п
При наличии питающего напряжения U в процессе управления коммутатором 3 повторяется с периодом Т определенная последовательность переключения ключей 4-7, причем период их переключения выбирается в 10..200 раз меньше, чем период верхней граничной частоты полосы пропускания электропривода. Включаются ключи 4 и 6 (ключи 5 и 7 выключены). Через время t после начала периода ключ 4 выключается и через короткую паузу t включается ключ 5. Через время t после начала периода ключ 6 выключается и через короткую паузу t включается ключ 7. За время t до конца периода ключи 5 и 7 выключаются.
п
Пауза t выбирается равной времени перезаряда паразитных емкостей ключей 4-7 коммутатора 3 номинальным током электродвигателя 17. В результате, при больших нагрузках на коммутатор 3 два из четырех включений ключей происходят при близких к нулю напряжениях на них. При заряде паразитных емкостей ключей 4-7 до напряжений, больших напряжения источника 1, ток дросселя 9 дифференциального фильтра 8 уходит через обратные диоды ключей в конденсатор 2 и далее через паразитные индуктивности соединительных проводов обратно в источник 1. Благодаря паразитным емкостям ключей 4-7 коммутатора 3, процесс выключения ключей при достаточно малом времени фронта переключения (которое в предлагаемом техническом решении не ограничено требованиями к уровням дифференциальных и синфазных помех) всегда происходит при нулевом напряжении на выключаемых ключах. Таким образом, достигается двух - четырехкратное уменьшение динамических потерь в коммутаторе 3.
4 вкл
6 вкл
4 вкл
На нагрузке коммутатора 3 (на входе дифференциального фильтра 8) появляются положительные (если t>t) или отрицательные (если t
6 вкл
п
<t) импульсы с амплитудой U. При этом среднее значение напряжения на выходе коммутатора 3 составляет:
п
4 вкл
6 вкл
U=U×(t-t)/T.
После завершения переходных процессов ток электродвигателя 17 будет равен
I=(U-E)/r,
где Е - противоЭДС электродвигателя 17, r - омическое сопротивление его обмотки.
4 вкл
6 вкл
6 вкл
4 вкл
Если знаки I и U совпадают, то электродвигатель 17 создает крутящий момент в направлении, соответствующем знаку U и от источника 1 потребляется ток I×(t-t)/Т, в противном случае электродвигатель создает за счет противоЭДС крутящий момент в противоположном направлении и в источник 1 возвращается ток I×(t-t)/Т. Таким образом, при торможении электропривода 17 энергия вращающихся частей рекуперируется в источнике 1. За счет обратных связей по току электродвигателя 17 и по напряжению на выходе дифференциального фильтра 8 ток, в том числе и пусковой, ограничивается до заданных величин. Одновременно, обратная связь по напряжению используется для демпфирования паразитных колебаний на резонансной частоте контура, образованного индуктивностью обмотки электродвигателя 17 и емкостью конденсатора 11 дифференциального фильтра 8.
Особенность функционирования данного электропривода постоянного тока связана с размещением между коммутатором 3 и электродвигателем 17 последовательно-включенных дифференциального фильтра 8 и синфазного фильтра 12. Резонансная частота контура, образованного емкостью конденсатора 11 дифференциального фильтра 8 и индуктивностью якоря электродвигателя 17, выбирается минимум в 2 раза больше верхней граничной частоты пропускания электропривода, так же, как и резонансная частота контура, образованного индуктивностью якоря электродвигателя 17 и емкостью последовательно соединенных конденсаторов 14, 15
синфазного фильтра 12. Резонансные частоты контуров, образованных индуктивностями дросселей и емкостями конденсаторов дифференциального 8 и синфазного 12 фильтров выбираются между верхней граничной частотой полосы пропускания электропривода и частотой переключения коммутатора 3. В результате, между выводами электродвигателя 17 и на его выводах относительно корпуса отсутствует значительное переменное напряжение с частотой переключения коммутатора 3 и не сужается полоса пропускания электропривода. Резистор 10 выбирается по величине больше, чем корень квадратный из отношения индуктивности дросселя 9 к емкости конденсатора 11 дифференциального фильтра 8 для демпфирования резонансных колебаний в нем.
Таким образом, данный электропривод постоянного тока питается отфильтрованным от дифференциальных и синфазных помех широтно-импульсно модулированным напряжением, благодаря этому устраняются ограничения на частоту и скорости переключения ключей коммутатора. Высокие скорости переключения ключей обеспечивают малые динамические потери в коммутаторе и его высокий кпд, что снижает тепловыделение в нем и, как следствие, его габариты. Высокая частота переключения обеспечивает минимальные габариты фильтров и максимальную ширину полосы пропускания привода. Это предопределяет его улучшенные технические характеристики.
Реализация описанного технического решения в макете реверсивного электропривода с электродвигателем постоянного тока МИ-2 (110 В, 2,5 кВт) продемонстрировала практическое отсутствие переменного напряжения с частотой переключения коммутатора (60 кГц) на соединительных проводах и электродвигателе, при этом электропривод обеспечивал активное ограничение тока, в том числе и пускового на уровне 40-50 А, возможность плавного регулирования скорости от 0,5 до 6000 об/мин и рекуперацию энергии торможения привода. КПД электронной части привода составил более 95%, в том числе на минимальных скоростях и в режиме торможения,
что дает возможность разместить ее всего в 3-х литровом корпусе при конвекционном воздушном охлаждении.