УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРСИРОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОМЕХАНИЗМАХ (ВАРИАНТЫ)
DEVICE FOR TRANSIENT PROCESSES FORCING IN ELECTRIC MECHANISMS (EMBODIMENTS)

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для разработки устройств, предназначенных для форсирования переходных процессов при включении индуктивной нагрузки любого электромеханизма (реле, электромагниты, цепи управления многообмоточных электрических машин - вентильных и шаговых, быстродействующие электромагнитные приводы 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 А.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 (А. с. СССР, №356772, H03K 6/00, опубл. 23.10.1972. Бюлл. №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 низкого напряжения, что усложняет схему форсирования.
Известно также устройство для электронной форсировки тока в обмотке шагового двигателя (А. с. 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 оптронную 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.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство (А. с. СССР, №249489, H01F 7/18, Н01Н 47/32 от 15.01.1970) для форсирования переходных процессов в электромагнитных механизмах, содержащих две обмотки, питающиеся от источника постоянного тока, и диоды, включенные последовательно с источником питания и каждой обмоткой, в котором при реверсе механизма, конец каждой обмотки соединен с началом другой через диод.
При неоспоримых преимуществах устройства для форсирования переходных процессов, недостатком известного устройства, выбранного в качестве прототипа, является наличие в схеме импульсных радиопомех, возникающих в цепях с современными ключевыми элементами (Mosfet, IGBT и др.), работающими при больших скоростях коммутации, что приводит к большой скорости нарастания напряжения dU/dt на обмотке при закрывании транзистора.
Кроме того, устройство имеет ограниченное функциональное применение, а именно: может быть использовано только в схемах двухпозиционных электромеханизмов с двумя управляющими обмотками.
Технический результат - обеспечение электромагнитной совместимости предлагаемого устройства с окружающей аппаратурой при использовании устройства в цепях питания многообмоточных электромеханизмов поступательного или вращательного движения, т.е. уменьшение радиопомех до допустимого уровня, без снижения эффекта форсирования переходного процесса.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей устройства за счет наращивания и некоторого изменения исходной схемы в соответствии с количеством обмоток многообмоточных электромеханизмов поступательного или вращательного движения или количеством обмоток электрических машин вентильно-индукторного или шагового типа.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что по первому варианту устройство для форсирования переходных процессов в электромеханизмах, включающее в себя источник постоянного тока, к которому подключены две обмотки электромеханизма через ключевые элементы, разделительные диоды, диоды рекуперации, причем положительный вывод источника постоянного тока соединен с верхними контактами ключевых элементов, нижний контакт первого ключевого элемента соединен с началом первой обмотки электромеханизма и катодом второго диода рекуперации, а нижний контакт второго ключевого элемента соединен с началом второй обмотки электромеханизма и катодом первого диода рекуперации, конец первой обмотки электромеханизма соединен с анодом первого диода рекуперации и с анодом первого разделительного диода, катод которого соединен с отрицательным выводом источника постоянного тока, а конец второй обмотки электромеханизма соединен с анодом второго диода рекуперации и с анодом второго разделительного диода, катод которого соединен с отрицательным выводом источника постоянного тока, согласно изобретению введены первый конденсатор, подключенный верхней обкладкой к началу первой обмотки электромеханизма, а нижней обкладкой к отрицательному выводу источника постоянного тока, и второй конденсатор, подключенный верхней обкладкой к началу второй обмотки, а нижней обкладкой к отрицательному выводу источника постоянного тока.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что по второму варианту в устройство для форсирования переходных процессов в электромеханизмах, включающее в себя источник постоянного тока, связанные между собой ключевые элементы и диоды рекуперации, согласно изобретению введены дополнительные обмотки электромеханизма: третья, n-я, где n - общее число обмоток электромеханизма, дополнительные ключевые элементы: третий, четвертый, пятый, шестой, (2n-1)-й, 2n-й, дополнительные диоды рекуперации: третий, четвертый, пятый, шестой, n-й, 2n-й, причем положительный вывод источника постоянного тока соединен через первый разделительный диод с верхней обкладкой первого конденсатора, с верхними контактами первого, второго, пятого, (2n-1)-го ключевых элементов и с катодами первого, второго, шестого, 2n-го диодов рекуперации, а отрицательный вывод источника постоянного тока соединен с нижней обкладкой первого конденсатора, анодами третьего, четвертого, пятого, n-го диодов рекуперации, нижними контактами дополнительных ключевых элементов: третьего, четвертого, шестого, 2n-го, кроме того, верхний контакт третьего дополнительного ключевого элемента соединен с концом первой обмотки электромеханизма и анодом первого диода рекуперации, верхний контакт четвертого дополнительного ключевого элемента соединен с концом второй обмотки электромеханизма и анодом второго диода рекуперации, верхний контакт шестого дополнительного ключевого элемента соединен с концом третьей обмотки и анодом шестого диода рекуперации, верхний контакт 2n-го дополнительного ключевого элемента соединен с концом n-й обмотки электромеханизма и анодом 2n-го диода рекуперации, а нижний контакт первого ключевого элемента соединен с началом первой обмотки электромеханизма и катодом третьего диода рекуперации, нижний контакт второго ключевого элемента соединен с началом второй обмотки электромеханизма и катодом четвертого диода рекуперации, нижний контакт пятого дополнительного ключевого элемента соединен с началом третьей обмотки электромеханизма и катодом пятого диода рекуперации, нижний контакт (2n-1)-го дополнительного ключевого элемента соединен с началом n-й обмотки электромеханизма и катодом n-го диода рекуперации.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами фиг. 1, 2, на которых показаны различные варианты схемного исполнения устройства для форсирования переходных процессов в электромеханизмах.
На фиг. 1 показан первый вариант устройства для форсирования переходных процессов в электромеханизмах, включающий в себя источник постоянного тока 1, к которому подключены две обмотки электромеханизма 2 и 3 через ключевые элементы 4 и 5, разделительные диоды 8, 9, диоды рекуперации 6 и 7, причем положительный вывод источника постоянного тока 1 соединен с верхними контактами ключевых элементов 4, 5, нижний контакт первого ключевого элемента 4 соединен с началом первой обмотки электромеханизма 2 и катодом второго диода рекуперации 7, а нижний контакт второго ключевого элемента 5 соединен с началом второй обмотки электромеханизма 3 и катодом первого диода рекуперации 6, конец первой обмотки электромеханизма 2 соединен с анодом первого диода рекуперации 6 и с анодом первого разделительного диода 8, катод которого соединен с отрицательным выводом источника постоянного тока 1, а конец второй обмотки электромеханизма 3 соединен с анодом второго диода рекуперации 7 и с анодом второго разделительного диода 9, катод которого соединен с отрицательным выводом источника постоянного тока 1, отличающегося тем, что введены первый конденсатор 10, подключенный верхней обкладкой к началу первой обмотки электромеханизма 2, а нижней обкладкой к отрицательному выводу источника постоянного тока 1, и второй конденсатор 11, подключенный верхней обкладкой к началу второй обмотки 3, а нижней обкладкой к отрицательному выводу источника постоянного тока 1.
На фиг. 2. показано устройство для форсирования переходных процессов в электромеханизмах по второму варианту, включающее в себя источник постоянного тока 1, связанные между собой ключевые элементы и диоды рекуперации, отличающееся тем, что введены дополнительные обмотки электромеханизма: третья 12, n-я 13, где n - общее число обмоток электромеханизма, дополнительные ключевые элементы: третий 14, четвертый 15, пятый - 16, шестой - 17, (2n-1)-й - 18, 2n-й - 19, дополнительные диоды рекуперации: третий - 20, четвертый - 21, пятый - 22, шестой - 23, n-й - 24, 2n-й - 25, причем положительный вывод источника постоянного тока 1 соединен через первый разделительный диод 8 с верхней обкладкой первого конденсатора 10, с верхними контактами первого 4, второго 5, пятого 16, (2n-1)-го 18 ключевых элементов и с катодами первого 6, второго 7, шестого 23, 2n-го 25 диодов рекуперации, а отрицательный вывод источника постоянного тока 1 соединен с нижней обкладкой первого конденсатора 10, анодами третьего 20, четвертого 21, пятого 22, n-го 24 диодов рекуперации, нижними контактами дополнительных ключевых элементов: третьего 14, четвертого 15, шестого 17, 2n-го 19, кроме того, верхний контакт третьего дополнительного ключевого элемента 14 соединен с концом первой обмотки электромеханизма 2 и анодом первого диода рекуперации 6, верхний контакт четвертого дополнительного ключевого элемента 15 соединен с концом второй обмотки электромеханизма 3 и анодом второго диода рекуперации 7, верхний контакт шестого дополнительного ключевого элемента 17 соединен с концом третьей обмотки 12 и анодом шестого диода рекуперации 23, верхний контакт 2n-го дополнительного ключевого элемента 19 соединен с концом n-й обмотки электромеханизма 13 и анодом 2n-го диода рекуперации, а нижний контакт первого ключевого элемента 4 соединен с началом первой обмотки электромеханизма 2 и катодом третьего диода рекуперации 20, нижний контакт второго ключевого элемента 5 соединен с началом второй обмотки электромеханизма 3 и катодом четвертого диода рекуперации 21, нижний контакт пятого дополнительного ключевого элемента 16 соединен с началом третьей обмотки электромеханизма 12 и катодом пятого диода рекуперации 22, нижний контакт (2n-1)-го дополнительного ключевого элемента 18 соединен с началом n-й обмотки электромеханизма 13 и катодом n-го диода рекуперации 24. Разделительный диод 8 служит для предотвращения попадания токов от ЭДС самоиндукции в источник постоянного тока 1. Функция конденсатора 10 аналогична функции конденсаторов 10, 11 в устройстве форсирования по первому варианту.
Принцип действия устройства по первому варианту для форсирования переходных процессов в электромеханизмах сводится к следующему.
При работе устройства обмотки схемы будут поочередно подключаться и отключаться с определенной частотой от источника постоянного тока согласно закону коммутации под действием периодического замыкания-размыкания ключевых элементов. Для схемы по первому варианту, показанной на фиг. 1, закон управления предполагает то, что когда один ключ замкнут, второй ключ разомкнут, изменение состояния ключей происходит практически мгновенно.
При размыкании первого ключевого элемента 4 (замыкании ключевого элемента 5) в первой обмотке 2 возникает ЭДС самоиндукции, которая прикладывается ко второй обмотке 3 по следующей цепи: первая обмотка 2, диод рекуперации 6, вторая отмотка 3, диод рекуперации 7, первая обмотка 2. Величина этой ЭДС довольно значительна и зависит от скорости размыкания ключевых элементов, т.е. при размыкании первого ключевого элемента 4 и одновременном замыкании второго ключевого элемента 5 на второй обмотке 3 будет действовать напряжение, в несколько раз превышающее напряжение источника постоянного тока 1, за счет чего возникнет ускорение (форсирование) нарастания тока во второй обмотке 3.
При подключении к источнику постоянного тока 1 первой обмотки 2 и отключении второй обмотки 3 от источника постоянного тока 1, возникающая в ней ЭДС самоиндукции также прикладывается к первой обмотке 2 по цепи: вторая обмотка 3, диод рекуперации 7, первая отмотка 2, диод рекуперации 6, вторая обмотка 3, и схема работает аналогично.
Назначение разделительных диодов 8 и 9 сводится к следующему. При отсутствии разделительных диодов ЭДС самоиндукции каждой обмотки будет замыкаться на собственную обмотку по контурам: первая обмотка 2, второй диод рекуперации 7, первая обмотка 2; вторая обмотка 3, первый диод рекуперации 6, вторая обмотка 2, и эффект форсирования будет отсутствовать.
При выполнении схемы на современных ключевых элементах (Mosfet, IGBT и др.), работающих при больших скоростях коммутации, возможно возникновение перенапряжений на некоторых элементах схемы, например, большая скорость нарастания напряжения dU/dt на обмотке при закрывании транзистора вызывает появление импульсных радиопомех значительной величины. Подобные импульсные радиопомехи могут негативно повлиять на работу слаботочных систем управления.
Для предотвращения этого явления, а также обеспечения электромагнитной совместимости заявляемого изобретения с окружающей аппаратурой при использовании устройства в цепях питания электромеханизмов, т.е. уменьшения радиопомех до допустимого уровня без снижения эффекта форсирования переходного процесса, параллельно цепям «обмотка электромеханизма с разделительным диодом» включены конденсаторы, емкость которых определяется в зависимости от величины индуктивности обмоток электромеханизма.
Вариант первый устройства для форсирования переходных процессов в электромеханизмах предназначен только для электромеханизмов с двумя рабочими обмотками. Расширение функциональных возможностей устройства для форсирования переходных процессов при включении индуктивной нагрузки любого электромеханизма (реле, электромагниты, цепи управления многообмоточных электрических машин - вентильных и шаговых, быстродействующие электромагнитные приводы клапанов и форсунок ДВС) возможно за счет применения второго варианта, представленного на фиг. 2. Во втором варианте устройства реализуется закон коммутации, который дает возможность переключать ключевые элементы в произвольной последовательности. С этой целью в схеме на фиг. 2 добавлены дополнительные ключевые элементы. Ключевые элементы будут переключаться только попарно: первый 4 и третий 14, второй 5 и четвертый 15, пятый 16 и шестой 17, 2n-1 - 18 и 2n - 19, но в произвольной последовательности. При этом дополнительные диоды рекуперации позволяют осуществлять форсирование переходного процесса в любой из вновь включаемых обмоток. Например, если отключается от источника постоянного тока 1 вторая обмотка 3 и выключаются соответственно второй 5 и четвертый 15 ключевые элементы, а включается n-я 13 обмотка электромеханизма (включаются 2n-1 - 18 и 2n - 19 ключевые элементы), то ток от ЭДС самоиндукции идет по цепи: конец второй обмотки 3, второй диод рекуперации 7, общая цепь от положительного вывода источника постоянного тока 1 после разделительного диода 8, замкнутый ключ 18, n-я обмотка 13, замкнутый ключ 19, общая цепь отрицательного вывода источника постоянного тока 1, четвертый диод рекуперации 21, начало второй обмотки 3. Если по-прежнему от питания отключается вторая обмотка, а включаются первый и третий ключевые элементы и ток проходит по первой обмотке, то ток от ЭДС самоиндукции проходит по цепи: конец второй обмотки 3, второй 7 диод рекуперации, общая цепь от положительного вывода источника постоянного тока 1 после разделительного диода 8, первый 4 ключевой элемент, первая обмотка 2, третий 14 ключевой элемент, общая цепь отрицательного вывода источника постоянного тока 1, четвертый 21 ключевой элемент, начало второй 3 обмотки электромеханизма.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет обеспечить электромагнитную совместимость предлагаемого устройства с окружающей аппаратурой при использовании устройства в цепях питания многообмоточных электромеханизмов поступательного или вращательного движения, т.е. уменьшение радиопомех до допустимого уровня, без снижения эффекта форсирования переходного процесса. Это достигается включением конденсаторов параллельно цепям «обмотка электромеханизма с разделительным диодом» включены конденсаторы, емкость которых определяется в зависимости от величины индуктивности обмоток электромеханизма.
Кроме того, заявляемое изобретение по второму варианту обеспечивает расширение функциональных возможностей устройства за счет наращивания и некоторого изменения исходной схемы в соответствии с количеством обмоток многообмоточных электромеханизмов поступательного или вращательного движения или количеством обмоток электрических машин вентильно-индукторного или шагового типа.