УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ОДНОФАЗНОГО КОЛЛЕКТОРНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
DEVICE TO STABILISE ROTATION FREQUENCY OF SINGLE-PHASED COMMUTATOR MOTOR

Изобретение относится к электротехнике и, в частности, к электрифицированному инструменту, бытовым и промышленным электроприборам, приборам специального назначения.
Известно устройство (а.с. СССР №997216, Н02Р 5/12 от 15.02.83 г.) для реализации способа стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного электродвигателя. Устройство содержит электрический двигатель постоянного тока последовательного возбуждения, включенный в диагональ полууправляемого вентильного моста (усилителя мощности) и зашунтированный обратным диодом и разрядным резистором, общая точка которого подключена к входу промежуточного усилителя, состоящего из операционного усилителя и транзистора, причем выход промежуточного усилителя является входом интегратора, состоящего из транзистора и конденсатора, который подключен ко входу коммутирующего устройства, выполняющего функции блока управления усилителем мощности, включающий конденсатор, на котором формируется заданное напряжение, транзистор, напряжение отпирания которого является опорным напряжением.
Наиболее близким к заявляемому решению, по мнению заявителей, является устройство для стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного электродвигателя (заявка №2010135477 от 24.08.2010). Устройство содержит неуправляемый выпрямитель, широтно-импульсный преобразователь, электродвигатель постоянного тока последовательного возбуждения, зашунтированный обратным диодом и разрядным резистором, общая точка которых подключена к входу системы управления, которая содержит промежуточный усилитель, состоящий из операционного усилителя и компаратора, и транзистора, причем выход промежуточного усилителя является входом интегратора, состоящего из транзистора и конденсатора, который подключен к входу коммутирующего устройства, которое формирует сигнал управления широтно-импульсным преобразователем, включающий конденсатор, на котором формируется заданное напряжение, транзистор, напряжение питания которого является опорным напряжением.
Недостатком указанного устройства является то, что ток нагрузки имеет ярко выраженный пульсирующий характер, вследствие чего имеет место появление дополнительных потерь в меди обмоток, стали магнитопровода и конструктивных элементах, что обусловлено наличием переменных составляющих в токе якоря и магнитных потоках машины. Увеличение потерь в меди связано как с возрастанием действующего значения тока якоря, так и со значительным повышением активных сопротивлений обмоток переменным составляющим тока.
Технический результат предлагаемого решения заключается в улучшении энергетических показателей электропривода.
Поставленная цель достигается тем, что устанавливаются постоянными и равными друг другу значения ширины крайних импульсов каждого периода выпрямленного питающего напряжения, такими, что при нулевом значении ширины среднего импульса действующее значение выходного напряжения широтно-импульсного преобразователя равно напряжению трогания электродвигателя. Ширина среднего импульса является регулируемой величиной и зависит от сигнала обратной связи, т.е. от времени спадания ЭДС самоиндукции двигателя до нуля.
На чертеже представлена схема устройства стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного электродвигателя.
Устройство для стабилизации частоты вращения электродвигателя содержит неуправляемый выпрямитель 1, широтно-импульсный преобразователь 3, электродвигатель постоянного тока последовательного возбуждения 5, зашунтированный обратным диодом и разрядным резистором, общая точка которых подключена к системе управления 6, которая определяет величину времени спадания ЭДС самоиндукции до нуля, коммутирующее устройство 4, которое формирует сигнал управления широтно-импульсным преобразователем для регулирования ширины среднего импульса периода выпрямленного питающего напряжения, схему сравнения 2, которая формирует сигнал управления широтно-импульсным преобразователем для обеспечения заданного значения ширины крайних импульсов.
Устройство работает следующим образом.
В момент времени, когда транзистор, входящий в состав широтно-импульсного преобразователя 2, выключен, электродвигатель можно рассматривать отключенным от сети и цепь двигателя можно описать уравнением:
<mrow><mi>L</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>e</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mi>я</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>о</mi><mi>в</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0,</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>e</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>k</mi><mi>Ф</mi></msub><mi>c</mi><mo>⋅</mo><mi>ω</mi><mo>⋅</mo><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где e(t) - ЭДС якоря двигателя;
с - конструктивная постоянная электродвигателя;
Ф
k - коэффициент пропорциональности между током якоря и магнитным потоком;
я
oв
R, R - сопротивления обмоток якоря и возбуждения;
ω - частота вращения вала электродвигателя, 1/с;
L - индуктивность цепи электродвигателя, Гн;
H
Ф
С большой точностью можно принять, что L=const, поскольку ток i(t) якоря вызван действием ЭДС самоиндукции и составляет около 10-15% от номинального тока I. По той же причине и k=const.
п
п
п
п
Время to, при котором ток, определяемый уравнением (1), обращается в ноль, а следовательно, обращается в ноль и ЭДС самоиндукции, с большой степенью точности пропорционально току нагрузки и обратно пропорционально частоте вращения двигателя. В момент времени n·π/2 схема сравнения 2 формирует управляющий сигнал, который отпирает транзистор широтно-импульсного преобразователя (3) и, тем самым, подавая на двигатель напряжение питания. В момент времени n·π/2+t схема сравнения (2) формирует управляющий сигнал, который запирает транзистор широтно-импульсного преобразователя (3). Время t равно ширине крайнего импульса и определяется из условия, что действующее значение напряжения на выходе ШИП при наличии в периоде выпрямленного питающего напряжения только двух импульсов одинаковой ширины по краям периода должно быть равно напряжению трогания электродвигателя. В этот же момент времени система управления (6) определяет величину времени спадания ЭДС самоиндукции, до напряжения уставки схемы сравнения (4) формирует управляющий импульс для отпирания транзистора ШИП (3), величина которого пропорциональна времени спадания ЭДС самоиндукции до напряжения уставки. Минимальная ширина этого импульса равна нулю, максимальная величина равна π/2-2t. В момент времени (n+1)·π/2-t схема сравнения 2 формирует управляющий сигнал, который отпирает транзистор широтно-импульсного преобразователя (3). В момент времени (n+1)·π/2 схема сравнения (2) формирует управляющий сигнал, который запирает транзистор широтно-импульсного преобразователя (3).
Таким образом, в процессе работы электропривода при снижении скорости электродвигателя, по причине приложенного момента нагрузки, возрастает время спадания ЭДС самоиндукции до напряжения уставки, вследствие этого возрастает ширина среднего импульса периода выпрямленного питающего напряжения. Как следствие, увеличивается действующее значение напряжения, что приводит к возрастанию скорости до прежнего значения. При данной частоте квантования 300 Гц пульсации тока снижаются на величину до 30%.
Таким образом, заявленный технический результат достигнут вследствие того, что устанавливается постоянным число импульсов в каждом периоде выпрямленного питающего напряжения не менее трех. А также устанавливаются постоянными и равными друг другу значения ширины крайних импульсов каждого периода выпрямленного питающего напряжения, такими, что при нулевом значении ширины среднего импульса действующее значение выходного напряжения широтно-импульсного преобразователя равно напряжению трогания электродвигателя. При этом возрастает постоянная составляющая магнитного потока двигателя, что приводит к снижению потерь на вихревые токи и гистерезис из-за влияния насыщения.