УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА
DIRECT CURRENT MOTOR CONTROL DEVICE

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано преимущественно для управления электродвигателями постоянного тока.
Известно устройство управления двигателем постоянного тока, в котором энергия коммутационных потерь при торможении двигателя используется для питания обмотки возбуждения двигателя (патент РФ №2131161).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является система регулирования тока с противо-ЭДС (патент РФ №2079204), содержащая источник питания, последовательно соединенные фильтр и автономный инвертор, нагрузку собственных нужд, подключенную к дополнительной обмотке импульсного трансформатора, синхронизатор, блок управления, два ключа, соединенные силовыми выводами с выходной обмоткой импульсного трансформатора, два коммутатора, два дополнительных источника питания, датчик тока, нагрузку с противо-ЭДС, генератор импульсов.
Недостатками известного устройства, выбранного в качестве прототипа являются:
1. Включение и выключение инвертора при включении и выключении режима рекуперации происходят без синхронизации с периодом переключения транзисторов инвертора, что может привести к подмагничиванию сердечника трансформатора и соответственно к токовой перегрузке в инверторе и снижению надежности.
2. Если в качестве нагрузки применяется двигатель постоянного тока, то невозможно реверсирование, что ограничивает функциональные возможности устройства.
3. Ключи, коммутирующие нагрузку, работают с частотой в два раза меньшей, чем ключи инвертора, при этом динамические потери пропорциональны напряжению питания и частоте коммутации. В случае применения высоковольтной нагрузки для снижения потерь придется снижать частоту коммутации высоковольтных ключей и соответственно частоту коммутации ключей инвертора, что приведет к увеличению габаритов трансформатора инвертора, а это сужает область применения устройства.
Целью предполагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение надежности устройства управления двигателем постоянного тока.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство управления двигателем постоянного тока, содержащее источник питания, фильтр, инвертор, соединенный с первичной обмоткой импульсного трансформатора, другую обмотку импульсного трансформатора, соединенную с нагрузкой собственных нужд, датчик тока согласно изобретению дополнительно введены первая и вторая обмотки импульсного трансформатора, каждая состоящая из двух одинаковых частей, четыре силовых ключа, два емкостных накопителя и блок управления нагрузкой, при этом первые и вторые выводы первой и второй обмоток соединены с первыми силовыми выводами первого, второго, третьего и четвертого ключей, вторые выводы которых соединены между собой и с первым выводом датчика тока, второй вывод которого соединен с первым выводом нагрузки, второй вывод которой соединен с первыми силовыми выводами пятого и шестого ключей, вторые выводы которых соединены со средними выводами первой и второй обмоток импульсного трансформатора, которые также соединены с первыми силовыми выводами первого и второго двухсторонних ключей, вторые выводы которых соединены соответственно с первыми выводами первого и второго емкостных накопителей, вторые выводы которых соединены между собой и первым выводом датчика тока, управляющие выводы первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого ключей соединены с соответствующими выходами первого драйвера, вход которого соединен с первым выходом блока управления нагрузкой, второй выход которого соединен со входом второго драйвера, выход которого соединен со входом управления инвертора, третий и четвертый выходы блока управления нагрузкой соединены со входами управления первого и второго двухсторонних ключей, первый и второй входы блока управления нагрузкой соединены с первым и вторым выводами датчика тока, третий вход блока управления нагрузкой соединен со вторым выводом нагрузки.
В заявляемом устройстве все признаки, входящие в отличительную часть формулы, используются каждый в отдельности по своему назначению. Однако их совокупность в указанной взаимосвязи обеспечивает достижение нового технического результата - степень надежности устройства и его функциональные возможности, которые неизвестны из уровня техники (устройств аналогичного назначения), а именно:
1) за счет того, что частота коммутации силовых ключей не зависит от рабочей частоты инвертора, следовательно, возможно применение устройства для управления двигателем постоянного тока с высоким рабочим напряжением, что расширяет область его применения;
2) введен режим реверсирования двигателя, что также расширяет функциональные возможности устройства;
3) за счет синхронизации момента переключения силовых ключей и момента коммутации инвертора, при этом обеспечивается полный цикл перемагничивания сердечника трансформатора, исключается связанная с намагничиванием сердечника токовая перегрузка инвертора и повышается надежность;
4) накопленная в емкостных накопителях энергия используется в режимах разгона и реверса, что снижает потери в инверторе, так как в этот момент он выключен. Это снижает общие потери в устройстве, следовательно повышается надежность.
На фиг.1 представлена общая схема заявляемого устройства, на фиг.2 - эквивалентная схема устройства в режиме разгона, на фиг.3 - диаграмма переключения устройства в режиме коммутации,
на фиг.4 - эквивалентная схема устройства в режиме рекуперации, на фиг.5 - эквивалентная схема электродинамического торможения.
Устройство управления двигателем постоянного тока содержит источник питания 1, например аккумуляторную батарею, через конденсаторный фильтр 2 соединенный со входом инвертора 3, который может быть выполнен, например, по мостовой схеме на полевых транзисторах.
Инвертор 3 соединен с первичной обмоткой 4 трансформатора 5, обмотка 6 которого соединена с нагрузкой собственных нужд 7, которая может быть при этом источником питания схемы управления устройством.
Управление инвертором 3 осуществляется блоком управления нагрузкой (БУН) 8 через драйвер 9, который формирует управляющие импульсы для транзисторов инвертора 3.
Обмотка 10 трансформатора 5, состоящая из двух обмоток с одинаковым количеством витков, общим выводом соединена с первым силовым выводом ключа 11 со встроенным обратным диодом, например, биполярным транзистором с изолированным затвором М2ТКИ-200-12.
Второй силовой вывод ключа 11 соединен с первым выводом нагрузки 12, например, двигателем постоянного тока с независимым возбуждением и первым выводом ключа 13, второй вывод которого соединен со средним выводом обмотки 14 трансформатора 5.
Начало и конец обмотки 14 соединены с первыми выводами ключей 15 и 16, вторые выводы которых соединены между собой и с первыми выводами ключей 17 и 18, а также с первым выводом датчика тока 19. Датчик тока может быть выполнен в виде шунта, который вторым выводом соединен со вторым выводом нагрузки. Управляющие выводы ключей 11, 13, 15, 16, 17, 18 соединены с выходами второго драйвера 20, который формирует сигналы управления ключами в соответствии с сигналами, поступающими с БУН. Выводы датчика тока 19 и нагрузки 20 соединены также со входами БУН, в котором происходит обработка сигналов обратной связи по току и по напряжению на нагрузке.
Средние выводы обмоток 10 и 14 также соединены с первыми силовыми выводами двухсторонних ключей 21 и 22 соответственно, выполненных, например, на полупроводниковых реле. Выводы управления двухсторонних ключей 21 и 22 соединены с выходами БУН, вторые силовые выводы которых соединены с выводами емкостных накопителей 23 и 24, выполненных, например, в виде конденсаторных батарей.
Устройство работает следующим образом.
Пусть в начальный момент времени якорь двигателя постоянного тока неподвижен. Рассмотрим режим разгона до установившейся угловой скорости.
При подаче с БУН импульсного сигнала управления на драйвер ключей 20 ключ 11 замыкается с задержкой τ, которая определяется БУН (фиг.3). Включается инвертор 3, на обмотке 10 импульсного трансформатора появляется напряжение U, которое через диоды разомкнутых ключей 17 и 18 поступает на нагрузку с противо-ЭДС 12, например двигатель постоянного тока с независимым напряжением.
При этом ток двигателя замыкается по цепи: диоды ключей 17, 18, обмотка 10 трансформатора, замкнутый ключ 11, якорь двигателя, датчик тока 19, диоды ключей 17 и 18 (фиг.2).
При достижении током двигателя заданного максимального значения по сигналу с БУН инвертор 3 выключается, при этом момент выключения синхронизируется с периодом коммутации ключей инвертора 3 таким образом, чтобы обеспечить полный цикл перемагничивания сердечника трансформатора.
Ток двигателя замыкается по цепи: обмотка 10 трансформатора 5, диоды ключей 17, 18, замкнутый ключ 11, нагрузка 12, датчик тока 19 (фиг.2), при этом из-за того, что половины обмотки 10 имеют одинаковое количество витков и включены встречно, исключается подмагничивание сердечника трансформатора.
Далее процесс коммутации инвертора 3 продолжается, при этом ключ 11 замкнут постоянно, что значительно снижает динамические потери и повышает надежность устройства.
В этом режиме средний ток двигателя определяется схемой токоограничения, входящей в блок БУН 8, в режиме разгона устройство работает как стабилизатор тока двигателя, после завершения разгона в установившемся режиме угловая скорость двигателя определяется как
и
W=(U*t/T-I*R)/Ce,
где U - напряжение на обмотке 10 или 14 в зависимости от заданного направления вращения,
I - ток двигателя,
R - сопротивление якоря двигателя,
Се - конструктивная постоянная двигателя,
Т - период широтно-импульсной
модуляции(ШИМ);
tи - время включения инвертора на периоде Т.
В соответствии с этим, напряжение двигателя, а значит и угловая скорость определяются отношением tи/T, ток двигателя определяется величиной момента сопротивления вращению, при этом в режиме регулирования ключи 11 и 13 работают с частотой ШИМ, которая составляет несколько килогерц, тогда как частота работы инвертора 3 составляет несколько десятков килогерц, что значительно снижает потери в устройстве и повышает надежность, так как потери на ключах пропорциональны частоте коммутации и коммутируемому напряжению.
Режим торможения якоря двигателя осуществляется следующим образом.
В этом режиме инвертор 3 выключен по сигналу с БУН, при этом возможны два способа осуществления торможения двигателя: рекуперативное и электродинамическое в соответствии с сигналами управления с БУН. При рекуперативном торможении ЭДС двигателя замыкается через диод разомкнутого ключа 11, две половины обмотки 10, ключи 17 и 18, датчик тока 19, второй вывод двигателя, при этом ключи 17 и 18 замыкаются и размыкаются в противофазе с частотой коммутации инвертора 3, на обмотке 6 возникает напряжение, которое используется для питания нагрузки собственных нужд 7 (фиг.4).
Время торможения определяется величиной среднего тока двигателя в момент торможения, которая задается БУН в соответствии с сигналом датчика тока 19, при этом время торможения определяет время коммутации ключей 17, 18 и составляет несколько секунд, поэтому потери в ключах 17 и 18 минимальны.
При электродинамическом способе торможения (фиг.5) ключи 11, 15-18 разомкнуты, при этом ЭДС двигателя замыкается через замкнутый ключ 13, две половины обмотки 14, диоды разомкнутых ключей 15 и 16, датчик тока 19, якорь двигателя. Напряжение самоиндукции, возникающей на индуктивности якоря двигателя в момент размыкания ключа 13, замыкается через диод разомкнутого ключа 11, замкнутый ключ 21, емкостный накопитель 23 и датчик тока 19.
Величина тока торможения двигателя, а следовательно время торможения определяется БУН, при этом энергия вращения двигателя аккумулируется в накопителе 23 и определяется как
н
1
0
W=((U)^2-(U)^2)*C/2,
0
где U - начальное значение напряжения на накопителе до момента начала торможения;
1
U - значение напряжения на накопителе в конце интервала торможения;
С - емкость накопителя.
Аналогично происходит электродинамическое торможение при вращении якоря двигателя в другую сторону, при этом ЭДС замыкается по цепи: датчик тока 19, диоды разомкнутых ключей 17, 18, обмотка 10 трансформатора 5, замкнутый ключ 11, якорь двигателя 12.
При размыкании ключа 11 ток двигателя протекает по цепи: якорь двигателя 12, датчик тока 19, накопитель 24, замкнутый ключ 22, якорь двигателя, при этом происходит заряд накопителя 24.
Энергия, накопленная в накопителях 23 и 24, используется в режиме разгона, при этом по сигналу управления с БУН инвертор 3 выключен, а включаются по сигналу с БУН 8 ключи 21 или 22 в зависимости от заданного направления вращения вала двигателя, при этом напряжение на двигатель поступает с накопителя 23 или 24 соответственно, а мощность от источника 1 не потребляется, что повышает КПД устройства.
Режим реверса двигателя состоит из режима торможения и последующего разгона в соответствии с заданным БУН направлением вращения.
Опытные образцы заявляемого устройства подтвердили достижение указанного в описании технического результата.