УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВУХФАЗНЫМ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ В РЕЖИМЕ ПРЕРЫВИСТОГО ДВИЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к колебательным электроприводам переменного тока, с прерывистым законом движения и может быть использована при создании приводов механизмов с регулируемым прерывистым перемещением, например, приводов лентопротяжных и регистрирующих устройств, оптико-механических систем со сканированием, а также в системах испытания и контроля.
Известно устройство для управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме прерывистого движения [RU 88874 U1, МПК H02P 7/00 (2006.01), опубл. 20.11.2009], содержащее преобразователь напряжение-частота, инвертор, выход которого соединен с обмоткой управления двухфазного асинхронного двигателя, частотный демодулятор, прецизионный регулируемый блок питания постоянного напряжения и сумматор, выход которого соединен с выходом преобразователя напряжение-частота. Выход прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом частотного демодулятора, вход которого снабжен зажимами для подключения к источнику переменного тока. Второй преобразователь напряжение-частота соединен своим входом с выходом прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения, а выходом - с входом компаратора, выход которого соединен со вторым входом модулятора с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению, первый вход которого соединен с выходом первого преобразователя напряжение-частота. Управляющий вход модулятора связан с выходом прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения, а выход - с управляющим входом инвертора.
Это техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Однако, не смотря на то, что в данном устройстве формируется шаговый режим работы исполнительного двигателя со стабилизацией амплитуды координаты подвижного элемента двигателя при регулировании частоты шага, в нем, при запуске исполнительного двигателя на заданную частоту шага в первый полупериод движения ротора в кривых электромагнитного момента и скорости наблюдаются высокочастотные пульсации частоты сети, что вызывает дополнительные динамические потери в электромеханической системе и как следствие снижение ее энергетических показателей (фиг. 1).
Задачей изобретения является расширение эксплуатационных возможностей устройства для управления двухфазным асинхронным двигателем, работающим в режиме прерывистого движения за счет улучшения его динамических и энергетических показателей путем устранения при запуске высокочастотных пульсаций частоты сети в кривых электромагнитного момента и скорости и обеспечения стабилизации амплитуды координаты подвижного элемента двигателя во время регулирования частоты шага.
Указанная задача решена за счет того, что устройство для управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме прерывистого движения, также, как в прототипе, содержит прецизионный регулируемый блок питания постоянного напряжения, преобразователь напряжение-частота, вход которого связан с выходом прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения, инвертор, выход которого соединен с обмоткой управления двухфазного асинхронного двигателя, модулятор с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению, управляющий вход которого связан с выходом прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения, а выход - с управляющим входом инвертора и источник переменного тока, соединенного с обмоткой возбуждения двухфазного асинхронного двигателя.
В отличие от прототипа выпрямитель соединен своим входом с выходом преобразователя напряжение-частота, а выходом - со вторым входом модулятора с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению, первый вход которого соединен с выходом фазосдвигающего звена, вход которого подключен к источнику переменного тока.
Таким образом, введение выпрямителя и фазосдвигающего звена позволяет создать режим прерывистого движения, расширить эксплуатационные возможности устройства, обеспечив отсутствие при запуске двухфазного асинхронного двигателя пульсаций частоты питающей сети в электромагнитном моменте и скорости.
На фиг. 1 представлены временные диаграммы изменения электромагнитного момента M(t), скорости ξ(t) и координаты χ(t) подвижного элемента асинхронного двигателя при запуске на частоту Ω для устройства-прототипа.
На фиг. 2 представлена блок-схема заявляемого устройства.
На фиг. 3 представлены временные диаграммы изменения электромагнитного момента M(t), скорости ξ(t) и координаты χ(t) подвижного элемента асинхронного двигателя при запуске на частоту Ω для заявляемого устройства.
Устройство для управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме прерывистого движения (Фиг. 2) содержит асинхронный двигатель 1 с обмотками возбуждения 2 и управления 3, прецизионный регулируемый блок питания постоянного напряжения 4 (ИБП), преобразователь напряжение-частота 5 (ПНЧ), выпрямитель 6 (В), фазосдвигающее звено 7 (ФСЗ), модулятор с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению 8 (МД), инвертор напряжения 9 (ИН) и источник переменного тока 10 (ИПТ).
Обмотка управления 3 асинхронного двигателя 1 снабжена клеммами и подключена к выходу инвертора напряжения 9 (ИН), а обмотка возбуждения 2 - к выходу источника переменного тока 10 (ИПТ). Вход инвертора напряжения 9 (ИМ) соединен с выходом модулятора с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению 8 (МД). Первый вход модулятора с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению 8 (МД) подключен к выходу фазосдвигающего звена 7 (ФСЗ), вход которого подключен к источнику переменного тока 10 (ИПТ). Второй вход модулятора с регулируемым коэффициентом передачи но напряжению 8 (МД) подключен к выходу выпрямителя 6 (В), подключенного своим входом к выходу преобразователя напряжение-частота 5 (ПНЧ). Вход управления модулятора с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению 8 (МД) и вход преобразователя напряжение-частота 5 (ПНЧ) соединены с выходом прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения 4 (ПБП).
При технической реализации макетного образца заявляемого устройства преобразователь напряжение-частота 5 (ПНЧ) был выполнен на микросхеме КР 1108ПП1. Фазосдвигающее звено 7 (ФСЗ) было выполнено по схеме фильтра второго порядка на микросхеме К140УД17. Выпрямитель 6 (В) выполнен по однополупериодной схеме на полупроводниковом диоде. Прецизионный регулируемый блок питания постоянного напряжения 4 (ИБП) реализован на основе стабилизатора компенсационного типа, обладающего малым коэффициентом пульсаций и высокой температурной стабильностью. Модулятор с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению 8 (МД) был выполнен на дифференциальном усилителе с токопитающим каскадом на базе микросхемы К1УТ981. В качестве инвертора напряжения 9 (ИН) использовался мостовой инвертор с транзисторными ключами. Роль источник переменного тока 10 (ИПТ) выполняла промышленная сеть.
Устройство работает следующим образом. Обмотка возбуждения 2 двухфазного асинхронного двигателя 1 подключается к источнику переменного тока 10 (ИПТ)
10
m
U=Ucos(ω·t),
m
где U - амплитуда источника переменного тока;
ω - круговая частота источника переменного тока;
t - текущее значение времени.
Обмотка управления 3 через инвертор напряжения 9 (ИН) запитывается от модулятора с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению 8 (МД).
С прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения 4 (ИБП) постоянное напряжение, пропорциональное частоте шага
4
4
ш
U=k·f,
4
где k - коэффициент пропорциональности;
ш
f - частота шага,
поступает на вход преобразователя напряжение-частота 5 (ПНЧ), с выхода которого снимается напряжение
5
5
4
ш
U=k·U·sin(2·π·f)
5
где k - коэффициент передачи преобразователя напряжение-частота.
5
Выпрямитель 5 (В) преобразует входное напряжение U в однополярное пульсирующее напряжение, знак которого определяется его опорным напряжением
,
6
где k - коэффициент передачи выпрямителя;
ш
Ω=2·π·f - круговая частота шага.
С выхода выпрямителя 5 (В) сформированное напряжение поступает на второй вход модулятора с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению 8 (МД).
Напряжение с выхода источника переменного тока 10 (ИПТ) поступает на вход фазосдвигающего звена 7 (ФСЗ), где оно сдвигается по фазе ср относительно входного напряжения на 90 градусов
7
7
m
U=k·U·sin(ω·t)
7
где k - коэффициент передачи фазосдвигающего звена.
Полученные напряжения с выхода фазосдвигающего звена 7 (ФСЗ) подается на первый вход модулятора с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению 8 (МД). В результате на выходе модулятора с регулируемым коэффициентом передачи по напряжению 8 (МД) формируется напряжение
,
8
где k - коэффициент передачи модулятора,
которое усиливается по мощности инвертором напряжения 9 (ИН).
В результате в воздушном зазоре двухфазного асинхронного двигателя 1 формируется шаговое электромагнитное поле
,
у
где U - напряжение управления,
у
5
6
7
8
9
4
U=k·k·k·k·k·U;
;
/и - коэффициент передачи инвертора напряжения,
ш
и ротор двигателя начинает совершать шаговые движения с частотой f без высокочастотных пульсаций частоты сети в кривых электромагнитного момента и скорости (фиг. 3).
Стабилизация амплитуды шага при регулировании его частоты осуществляется также, как в прототипе.
9
Точность задания и поддержания частоты шага определяется стабильностью прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения 4 (ПБП), а направление движения подвижного элемента двухфазного асинхронного двигателя - полярностью выходного напряжения выпрямителя 6 (В). Регулирование амплитуды шага осуществляется за счет изменения коэффициента передачи k инвертора напряжения 9 (ИН).
Так как в законе движения электромагнитного поля отсутствуют высокочастотные пульсации суммарной частоты сети, то при запуске двухфазного асинхронного двигателя в режим прерывистого движения, во время переходных процессов в электромагнитном моменте и скорости они также отсутствуют, что улучшает динамические и энергетические характеристики системы.
Кроме того, модулирование напряжения, снимаемого с фазосдвигающего звена 7 (ФСЗ) напряжением частоты Ω производится не прямоугольным напряжением, как это имеет место в прототипе, а однополупериодным гармоническим напряжением, что повышает координатную точность всей системы в целом.