УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ОДНОФАЗНЫМ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ
CONTROL DEVICE FOR SINGLE-PHASE ASYNCHRONOUS MOTOR

Предложение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах, содержащих однофазные асинхронные электродвигатели.
Известен цифровой модулятор для преобразователя частоты асинхронного электродвигателя (патент RU 2216850, МПК Н03К 7/08, Н02М 7/539, Н02Р 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. Модулятор формирует на фазах асинхронного электродвигателя трехфазную квазисинусоидальную систему напряжений переменной частоты и амплитуды.
Недостаток устройства заключается в большом числе логических элементов, входящих в его состав, что снижает надежность, усложняет настройку и увеличивает стоимость, вес и габариты устройства в целом.
Известно устройство и способ управления бесщеточным двигателем, основанные на широтно-импульсной модуляции (патент US 2013/0033208, МПК Н02Р 6/16, 7.02.2013). Устройство содержит бесщеточный двигатель, подключенный к блоку задания управляющего сигнала, включающего в себя центральный процессор, цифроаналоговый преобразователь, формирователь регулируемого синусоидального напряжения, генератор несущего пилообразного напряжения, блок формирования ШИМ управляющего сигнала, блок определения полярности и мостовой однофазный инвертор на транзисторах с драйверами во входных цепях.
Недостатком устройства также является большое количество аналоговых, цифро-аналоговых и цифровых элементов, усложняющих и удорожающих его конструкцию, снижающих надежность и увеличивающих вес и габариты.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является мостовой инвертор (патент RU 2223590, Н02М 3/337, 7/219, G05F 1/56, 10.02.2004), содержащий источник питания АС-DC, однофазный транзисторный мост, шунтированный обратным диодным мостом, к выходу которых подключена первичная обмотка трансформатора, и систему управления в виде широтно-импульсного модулятора, состоящего из двухтактного генератора, генератора пилообразного напряжения, двух разделительных диодов, двух компараторов, логического инвертора и задатчика управляющего напряжения.
Недостаток инвертора заключается в том, что он работает на фиксированной частоте и его нельзя использовать в качестве преобразователя частоты для управления работой электродвигателя. Кроме того, содержащиеся в нем генераторы и компараторы усложняют его конструкцию.
Предлагаемое устройство позволяет простым и надежным способом сформировать ШИМ сигнал управления однофазным инвертором, обеспечивающим плавное регулирование скорости вращения двигателя при поддержании момента близким к постоянной величине (U/f=const).
1
2
(8)
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для управления однофазным асинхронным электродвигателем, на фиг.2 - временные диаграммы на выходах мультиплексоров MS, MS и старшего разряда счетчика CT при различных величинах управляющего напряжения.
Устройство содержит однофазный выпрямительный мост на диодах 1, 2, 3, 4, диагональ переменного тока которого подключена к питающей сети 5, а диагональ постоянного тока - к конденсатору 6 и к диагонали однофазного транзисторного моста на транзисторах IGBT 7, 8, 9, 10, шунтированного обратным диодным мостом на диодах 11, 12, 13, 14, выход которых соединен с обмотками асинхронного однофазного двигателя 15 (двигатель содержит две параллельно соединенные обмотки, с одной из которых последовательно включен фазосдвигающий конденсатор), драйверы 16, 17, 18, 19, связанные с затворами транзисторов 7, 8, 9, 10, логический инвертор 20 и задатчик 21 управляющего напряжения. Задатчик 21 может быть выполнен в виде потенциометра 22, запитанного от источника 23 постоянного напряжения. Устройство снабжено преобразователем 24 напряжения в частоту, четырехразрядным двоичным счетчиком 25, четырьмя ждущими мультивибраторами 26, 27, 28, 29 и двумя мультиплексорами 30, 31. Выход задатчика 21 подключен к входу преобразователя 24, с выходом которого связаны входы мультивибраторов 26, 27, 28, 29 и счетный вход счетчика 25. Первые три разряда счетчика 25 подсоединены к адресным входам «1, 2, 4» мультиплексоров 30, 31, четвертый разряд - через логический инвертор 20 и непосредственно к входам стробирования S мультиплексоров 30, 31. К первым и восьмым информационным входам («00, 07») мультиплексоров 30, 31 подключен выход мультивибратора 26, ко вторым и седьмым входам («01, 06») - выход мультивибратора 27, к третьим и шестым входам («02, 05») - выход мультивибратора 28, к четвертым и пятым входам («03, 04») - выход мультивибратора 29, а выходы мультиплексоров 30, 31 связаны с попарно соединенными между собой входами драйверов 16, 19 и 17, 18 транзисторов 7, 10 и 8, 9, расположенных в диагональных плечах транзисторного моста. Каждый из мультивибраторов 26, 27, 28, 29 снабжен своими RC-цепями, определяющими длительности формируемых мультивибраторами импульсов - Т1, Т2, Т3, Т4.
Устройство для управления однофазным асинхронным электродвигателем работает следующим образом.
При подаче на устройство питающей сети 5 выпрямительный мост на диодах 1, 2, 3, 4 и конденсатор 6 преобразуют переменное входное напряжение в постоянное, запитывающее мосты на транзисторах 7, 8, 9, 10 и диодах 11, 12, 13, 14.
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 сохраняются низкие потенциалы, транзисторы 7, 8, 9, 10 закрыты и двигатель 15 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 первого импульса счетчик 25 устанавливается в нулевое состояние, и на его выходах устанавливается кодовая комбинация 0000. Под действием «0» со старшего разряда счетчика 25, поступающего через инвертор 20 и непосредственно на входы стробирования S мультиплексоров 30 и 31, разрешается работа первого из них и запрещается работа второго. Кроме того, под действием логических нулей, поступающих с младших разрядов счетчика 25 на адресные входы мультиплексора 30, он переводится в состояние, при котором с его выходом соединяется первый информационный вход («00»). Одновременно с приходом первого импульса от преобразователя 24 запускаются мультивибраторы 26, 27, 28, 29. Длительности T1, T2, Т3 и Т4 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 электродвигателя. В результате с приходом первого импульса от преобразователя 24 на выход мультиплексора 30 проходит самый короткий (T1) импульс от мультивибратора 26, под действием которого драйверы 16, 19 открывают транзисторы 7, 10, и через обмотки электродвигателя 15 протекает импульс тока.
С поступлением от преобразователя 24 второго импульса на выходах счетчика 25 устанавливается кодовая комбинация 0001, под влиянием которой на выход мультиплексора 30 проходит импульс, формируемый мультивибратором 27. При этом транзисторы 7, 10 открываются на время T2. Аналогичным образом с приходом третьего импульса транзисторы 7, 10 открываются на время Т3, четвертого и пятого импульсов - на время Т4, шестого импульса - на время Т3, седьмого - на время T2 и восьмого - на время Т1. В результате через обмотки электродвигателя 15 протекают импульсы тока одной полярности с длительностями, близкими к ШИМ сигналу для первой полуволны синусоиды.
С приходом от преобразователя 24 девятого импульса на выходах счетчика 25 устанавливается кодовая комбинация 1000, под действием которой запрещается работа мультиплексора 30 и разрешается работа мультиплексора 31. При этом формируемый мультивибратором 26 импульс проходит на выход мультиплексора 31, открывая с помощью драйверов 17, 18 транзисторы 8, 9 и вызывая протекание через обмотки электродвигателя 15 импульса тока длительностью Т1 другой полярности. Аналогичным образом создаются и последующие импульсы тока данной полярности, формирующие вторую полуволну синусоиды.
При увеличении управляющего напряжения задатчика тока 21 увеличивается частота импульсов на выходе преобразователя 24 и частота огибающей напряжения на выходе транзисторного моста, питающего обмотки электродвигателя 15. В результате увеличивается скорость его вращения. Вместе с тем уменьшаются паузы между отдельными импульсами, иначе говоря, скважность импульсов, что вызывает увеличение напряжения, прикладываемого к обмоткам электродвигателя 15. Благодаря этому обеспечивается поддержание отношения напряжения к частоте достаточно близким к постоянной величине.
С учетом того, что для формирования полного периода питающего электродвигатель 15 напряжения требуется шестнадцать импульсов преобразователя 24, его частота (частота коммутации) должна в шестнадцать раз превосходить частоту подаваемого на электродвигатель 15 напряжения. Так, при требуемом диапазоне регулирования частоты питающего напряжения от 0 до 50 Гц частота преобразователя 24 должна меняться от 0 до 800 Гц. При этом длительности импульсов, формируемых мультивибраторами 26, 27, 28, 29, могут составлять следующие величины: Т1=0,25 мс; Т2=0,6 мс; Т3=0,85 мс; Т4=1,2 мс. Более точные значения определяются по результатам спектрального анализа полученной ШИМ последовательности. Для повышения качества питающего электродвигатель 15 напряжения может быть вдвое увеличена частота преобразователя 24 при одновременном увеличении разрядности счетчика 25 и мультиплексоров 30, 31 и удвоении числа мультивибраторов 26, 27, 28, 29.
Устройство реализуется на достаточно простых и широко распространенных микросхемах средней степени интеграции. Преобразователь 24 напряжения в частоту может быть выполнен на микросхеме КР1108ПП1, счетчик 25 - на микросхеме К155ИЕ5, мультиплексоры 30,31 - на микросхемах К155КП7, мультивибраторы 26, 27, 28, 29 - на микросхемах К155АГ3 и инвертор 20 - на микросхеме К155ЛН1.
Рассмотренный принцип формирования управляющего ШИМ сигнала может быть также распространен на преобразователь частоты для трехфазного электродвигателя.
Таким образом, предлагаемое устройство реализует достаточно простой и надежный способ управления однофазным асинхронным электродвигателем, характеризуется малыми весом, габаритами и стоимостью, легко настраивается и обладает универсальностью построения.