схема питания электропривода со сглаживающим дросселем в цепи постоянного тока

Формула изобретения

Схема питания электропривода со сглаживающим дросселем в цепи постоянного тока, содержащая неуправляемый выпрямитель, подключенный к источнику переменного напряжения и соединенный через сглаживающий дроссель с якорной обмоткой двигателя постоянного тока, которая через транзисторный ключ подключена к минусовой шине неуправляемого выпрямителя, средняя точка обмотки сглаживающего дросселя соединена с конденсатором и катодом диода сброса, при этом с закрытием транзисторного ключа запасенная электромагнитная энергия цепи якоря поддерживает протекание тока якоря через диод сброса, заряжая конденсатор, отличающаяся тем, что дополнительно содержит датчик тока, компаратор нулевого тока, формирователь управляющих импульсов, два транзисторных ключа, два развязывающих диода, дозирующий конденсатор, два ключевых элемента и блок управления, сглаживающий дроссель имеет вторичную обмотку, конец первичной обмотки дросселя соединен через первый ключевой элемент с датчиком тока, выход которого соединен с якорной обмоткой двигателя, со вторым ключевым элементом и через низковольтный выход датчика тока с входом компаратора нулевого тока, выход которого подключен к первому входу формирователя управляющих импульсов, выход которого соединен с базой второго транзисторного ключа, первый ключевой элемент через переход эмиттер-коллектор третьего транзисторного ключа соединен с первым развязывающим диодом, катод которого подключен к плюсовой обкладке дозирующего конденсатора, катоду второго развязывающего диода, анодом подключенного к источнику подпитки, и к началу вторичной обмотки сглаживающего дросселя, конец которой соединен через переход эмиттер-коллектор второго транзисторного ключа с минусовой обкладкой дозирующего конденсатора и с якорем двигателя постоянного тока, второй ключевой элемент через резистор переменного сопротивления соединен с якорем двигателя постоянного тока и с эмиттером первого транзисторного ключа, блок управления соединен с базами первого и третьего транзисторных ключей и со вторым входом формирователя управляющих импульсов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к управлению электрическими двигателями постоянного тока (ДПТ), и может быть использовано в частотно-регулируемых приводах с асинхронными двигателями, связанных с исполнительными органами мехатронных систем, например, манипуляторов, станков с ЧПУ и др.

Известен электропривод постоянного тока, включающий сглаживающий реактор, электродвигатель, диоды, резисторы, датчик тока и блок управления (см. патент RU 2168259 МП7 Н 02 Р 5/16, опубл. 27.05.2001) [1], в котором решается задача повышения эффективности торможения путем увеличения максимального тормозного момента при отсутствии потребителей и при коротком замыкании в контактной питающей сети.

В электроприводе переменного тока (см. А.С. 1671119 А1, МКИ6 Н 02 К 29/00, опубл. 20.05.97) [2], включающем вентильный электродвигатель, сглаживающий дроссель с тремя обмотками, анодные и катодные группы, снижается влияние привода на сеть, улучшается гармонический состав тока при пуске, уменьшаются пульсации момента электродвигателя.

Известен также реверсивный тиристорный электропривод (см. патент RU 2079963 МКИ6 Н 02 Р 5/16, опубл. 20.05.97) [3], включающий сглаживающий реактор, датчик тока, систему импульсно-фазового управления, задатчик скорости, в котором решается задача улучшения характеристик автоматизированного электропривода.

Аналогом заявляемого изобретения является схема питания со сглаживающим индуктивным дросселем в цепи пульсирующего тока (см. патент US 20011005323 (US 01005323), ЕР 1122870, МКИ Н 02 М 3/24, опубл. 06.08.2001) [4], в котором поддержание индуктивности осуществляется за счет отдельного выпрямителя с потреблением энергии от промышленной сети или автономного источника. Схема содержит выпрямитель, транзисторный ключ, сглаживающий дроссель, дополнительный источник тока. Автономный источник 10 (фиг.2 описания к патенту US) [4] соединен с входами выпрямителя 12 и дополнительного источника тока 24. Плюсовая шина выпрямителя 12 соединена с началом первичной обмотки сглаживающего дросселя 22, конец первичной обмотки сглаживающего дросселя соединен с катодом диода 21 и началом первичной обмотки трансформатора 30, конец первичной обмотки трансформатора через ключевой транзистор 31 соединен с минусовой шиной выпрямителя 12 (землей). Вторичная обмотка сглаживающего дросселя 22 соединена с устройством регулируемой индуктивности 23, питание которого осуществляется от плюсовой шины дополнительного источника 24. Вторичная обмотка трансформатора 30 соединена с анодом диода 40, катод которого подключен к блоку регистрации отклонения выходного напряжения 50, выход которого через блок сопряжения (передачи) 51 соединен с базой транзистора 31 посредством устройства 32 регулирования тока базы. Выпрямленный ток от автономного источника 10 протекает по первичной обмотке сглаживающего дросселя 22 и первичной обмотке трансформатора 30 при включении транзистора 31. Размагничивание сердечника сглаживающего дросселя 22 осуществляется от дополнительного источника тока 24 при регулировании устройством 23.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является схема питания электродвигателя, минимизирующая реакцию электрической сети (см. патент DE 19617947, МКИ Н 02 М 1/12; Н 02 Р 7/28; Н 02 К 23/08; Н 02 М 3/10; опубл. 03.07.97) [5], принимаемая за прототип.

Схема питания (фиг.2 описания к патенту DE) [5] для снижения коэффициента пульсаций ДПТ за счет использования сглаживающего дросселя в цепи постоянного тока содержит неуправляемый выпрямитель, подключенный к источнику переменного напряжения, ДПТ, подключенный к неуправляемому выпрямителю через сглаживающий дроссель с одной обмоткой, нерегулируемую индуктивность и транзисторный ключ, база которого соединена с модулятором, выходы которого подключены к потенциометру и к минусовой шине неуправляемого выпрямителя. Конденсатор и сглаживающий дроссель являются LC-фильтром. Катод диода "сброса" подключен к конденсатору LC-фильтра, а анод к якорной обмотке ДПТ.

При регулировании потенциометром частоты включения транзисторного ключа от модулятора обеспечивается заданная скорость вращения ДПТ. При спаде импульса напряжения на двигателе с закрытием транзисторного ключа запасенная магнитная энергия цепи якоря замыкается через диод "сброса" и частично размагничивает дроссель, что приводит к снижению коэффициента пульсаций тока якоря.

Недостатками прототипа являются:

1. Высокие значения потерь электроэнергии из-за повышенного коэффициента пульсаций тока ДПТ при работе электропривода в зоне прерывистых токов, прерывистость которых зависит от частоты коммутации ключевого транзистора.

2. Неполное и нерегулируемое размагничивание сердечника сглаживающего дросселя при работе электропривода в зоне прерывистых токов (малых скоростей), что ухудшает массогабаритные показатели и эффективность использования сердечника сглаживающего дросселя.

Техническим результатом изобретения является уменьшение потерь электроэнергии в ДПТ при работе привода в зоне малых скоростей и уменьшение массы магнитопровода сглаживающего дросселя.

Новым свойством схемы является наличие программируемого регулирования частоты коммутации транзисторного ключа в зоне прерывистых токов (малых скоростей), которое приводит к регулируемому перемагничиванию сердечника сглаживающего дросселя, что вызывает уменьшение массы магнитопровода сглаживающего дросселя и снижение коэффициента пульсаций тока якоря, а следовательно, уменьшение потерь электроэнергии в ДПТ.

Другим новым свойством является осуществление перемагничивания сердечника сглаживающего дросселя за счет преобразованной кинетической энергии вращающихся и перемещающихся масс узлов и механизмов электропривода в электроэнергию накопительного конденсатора в режиме динамического торможения.

Технический результат достигается тем, что схема питания электропривода со сглаживающим дросселем в цепи постоянного тока содержит неуправляемый выпрямитель, подключенный к источнику переменного напряжения и соединенный через сглаживающий дроссель с якорной обмоткой ДПТ, которая через транзисторный ключ подключена к минусовой шине неуправляемого выпрямителя, средняя точка обмотки сглаживающего дросселя соединена с конденсатором и катодом диода "сброса", анод которого соединен с якорной обмоткой.

Согласно изобретению схема питания электропривода дополнительно содержит датчик тока, компаратор нулевого тока, формирователь управляющих импульсов, два транзисторных ключа, два развязывающих диода, дозирующий конденсатор, два ключевых элемента и блок управления. Сглаживающий дроссель имеет вторичную обмотку, конец первичной обмотки дросселя соединен через первый ключевой элемент с датчиком тока, выход которого соединен с якорной обмоткой двигателя, со вторым ключевым элементом и через низковольтный выход датчика тока с входом компаратора нулевого тока, выход которого подключен к первому входу формирователя управляющих импульсов, выход которого соединен с базой второго транзисторного ключа. Кроме того, первый ключевой элемент через переход эмиттер - коллектор третьего транзисторного ключа соединен с первым развязывающим диодом, катод которого подключен к плюсовой обкладке дозирующего конденсатора, катоду второго развязывающего диода и к началу вторичной обмотки сглаживающего дросселя, конец которой соединен через переход эмиттер - коллектор второго транзисторного ключа с минусовой обкладкой дозирующего конденсатора и с якорем ДПТ; второй ключевой элемент через резистор переменного сопротивления соединен с якорем ДПТ и с эмиттером первого транзисторного ключа. Блок управления соединен с базами первого и третьего транзисторных ключей и со вторым входом формирователя управляющих импульсов.

Изобретение поясняется чертежами, где:

На фиг.1 приведена функциональная схема питания электропривода со сглаживающим дросселем в цепи постоянного тока.

На фиг. 2 приведен график зависимости напряжения и тока ДПТ от времени, где U_ист - напряжение источника питания; U_cp - среднее напряжение на якоре двигателя; i_я - ток якоря двигателя; i_яср - средний ток якоря двигателя; - угол сдвига фаз между током и напряжением; t_в - длительность импульса напряжения на двигателе; t₀ - время отсутствия импульса напряжения на двигателе; Т_ц - время цикла прохождения импульса напряжения (период коммутации транзистора 16).

На фиг.3 приведены диаграммы изменения скорости от времени, где _y и V_y - установившиеся угловая и линейная скорости соответственно; t_y - время, соответствующее времени поддержания установившейся скорости; t_p - время разгона; t_т - время торможения; t"_ц - время работы электропривода; t"_ц - время паузы при , V=0; t_ц - время цикла.

На фиг.4 приведены эпюры напряжений и токов ДПТ, поясняющие работу схемы питания и блока управления, где U_m - амплитудное значение напряжения фазы; U_cp - среднее напряжение на якоре двигателя; U_пит - напряжение отрицательной полярности, сформированное на выходе компаратора нулевого тока; U_c -напряжение на дозирующем конденсаторе; Е - противоЭДС двигателя; I_я - ток якоря двигателя; - длительность импульса тока двигателя (длительность проводимости тиристоров); ₁ - бестоковая пауза; t_и - длительность импульса напряжения, поступающего на вторичную обмотку сглаживающего дросселя.

На фиг. 5 приведены графики зависимости магнитной индукции от напряженности магнитного поля сердечника, создаваемого током якоря двигателя.

Схема питания электропривода со сглаживающим дросселем в цепи постоянного тока (фиг.1) содержит неуправляемый выпрямитель 1 на диодах, плюсовая шина которого соединена с двухобмоточным сглаживающим дросселем 2 с сердечником из магнитомягкого материала, конец первичной обмотки W₁ которого соединен с ключевым элементом 3. Выход ключевого элемента 3 через датчик тока 4 подключен к якорной обмотке двигателя постоянного тока 5, ключевому элементу 6 и ко входу компаратора нулевого тока 7 через низковольтный выход датчика тока. Резистор 8 соединен с якорем двигателя 5 и ключевым элементом 6. Одновременно ключевой элемент 3 через переход эмиттер - коллектор транзисторного ключа 9 подключен к развязывающему диоду 10, катод которого подсоединен к плюсовой обкладке дозирующего конденсатора 11, катоду развязывающего диода 12 и к началу вторичной (размагничивающей) обмотки W₂ сглаживающего дросселя 2. Конец обмотки W₂ соединен с эмиттером транзисторного ключа 13, коллектор которого подключен к минусовой обкладке дозирующего конденсатора 11. Средняя точка первичной обмотки W₁ соединена с конденсатором 14 LC-фильтра и катодом диода "сброса" 15. Транзисторный ключ 16 через переход эмиттер - коллектор соединяет якорь двигателя 5 с анодами диодов (минусовой шиной) неуправляемого выпрямителя 1. Блок управления 17, содержащий PIC-контроллер и устройства сопряжения, соединен с базами транзисторных ключей 9 и 16. Компаратор нулевого тока 7 через формирователь управляющих импульсов 18 подключен к базе транзисторного ключа 13. Выход блока управления 17 соединен с входом 2 формирователя управляющих импульсов 18.

В процессе пуска, реверса и торможения ДПТ питание электропривода изменяется в зависимости от предполагаемого режима. В двигательном режиме ключевой элемент 3 в схеме замыкается, ключевой элемент 6 разомкнут. При поступлении с блока управления 17 импульсов управления на базу транзисторного ключа 16 с заданной частотой осуществляется импульсное (фиг.2) регулирование среднего постоянного напряжения на якоре двигателя 5. При этом импульсный ток i_я от плюсовой шины выпрямителя 1 протекает по первичной обмотке W₁ сглаживающего дросселя 2, через ключевой элемент 3, датчик тока 4, обмотку якоря двигателя 5, транзисторный ключ 16 к минусовой шине выпрямителя 1. Регулированием времени включенного состояния t_в транзисторного ключа 16 при постоянстве периода t_ц коммутации транзистора 16 можно изменять среднее напряжение на якоре двигателя



от 0 до U_cp=U_ист. При этом скорость двигателя также изменяется от 0 до _ном при U_ср=U_дном. При спаде импульса напряжения на двигателе (время t₁) с закрытием транзисторного ключа 16 запасенная электромагнитная энергия цепи якоря поддерживает протекание тока i_я на интервале (t₂-t₁) через диод "сброса" 15, заряжая конденсатор 14. При очередном открытии транзисторного ключа 16 в момент времени ₂ конденсатор 14 разряжается через часть витков первичной обмотки W₁ сглаживающего дросселя 2 на обмотку якоря двигателя 5, частично размагничивая сердечник сглаживающего дросселя 2. При очередном открытии транзисторного ключа 16 (время t₂) (фиг.2) под влиянием импульса напряжения по цепи якоря с некоторым запаздыванием (на угол ) также будет протекать ток i_я, намагничивая сердечник сглаживающего дросселя 2.

Для механизмов с циклически действующими нагрузками характерным является повторно-кратковременный режим работы с большим числом включений в час. Качество регулирования таких электроприводов, как правило, оценивается показателями их работы в неустановившихся режимах, определяемых процессами пуска, реверса и торможения электродвигателя, как показано на фиг.3. Разгон электропривода осуществляется на участке 0-1. Участок 1-2 соответствует времени t_y поддержания установившейся скорости _y, V_y. На участке времени 2-3 зависимости "а" осуществляется торможение электропривода за время t_т.

В заявляемом изобретении для более эффективного торможения используется режим динамического торможения, когда за счет кинетической энергии вращающихся (перемещающихся) масс подвижных узлов исполнительных механизмов осуществляется плавно регулируемое торможение электропривода. Режим динамического торможения формируется за счет отключения двигателя 5 от источника питания (выпрямителя 1) ключевым элементом 3 и замыкания контура противоЭДС ключом 6. При этом за счет противоЭДС двигателя по резистору 8 с отпайками будет протекать тормозной ток, изменение которого, как правило, осуществляется ступенчато за счет переключения отпаек ключевыми элементами автоматики управления. Для придания плавности изменения момента торможения электропривода использованы транзисторный ключ 9, диод развязки 10, дозирующий конденсатор 11. Программное управление транзисторным ключом 9 от блока управления 17 позволяет поддерживать ток якоря двигателя 5 постоянным (неизменным по амплитуде) при ступенчатом изменении сопротивления 8. При этом конденсатор 11 в зависимости от режима управления транзисторным ключом 9 дозировано заряжается током торможения двигателя. В зависимости от значения зарядного тока дозирующего конденсатора характер диаграмм изменения скорости торможения может быть разным (фиг.3, кривые б, в, г).

Если схема питания работает в режиме прерывистого тока, то по обмотке W₁ сглаживающего дросселя 2 (с немагнитным зазором ) протекает ток якоря I_я длительностью двигательного режима работы электропривода, приведенной на фиг. 4, б. Датчик тока 4 выдает представленные импульсы на компаратор нулевого тока 7, на выходе которого формируется импульс напряжения отрицательной полярности (-U_пит) длительностью ₁. При подаче указанного напряжения на вход 1 формирователя управляющих импульсов 18 последний генерирует импульсы управления транзисторным ключом 13, частота которых задается от блока управления 17 по входу 2 формирователя 18. Импульсное управление транзисторным ключом 13 по базе транзистора позволяет разряжать предварительно заряженный (в режиме динамического торможения) дозирующий конденсатор 11 до напряжения U_c на вторичную обмотку W₂ сглаживающего дросселя 2, встречно включенную обмотке W₁. При протекании импульсного тока по обмотке W₂ сердечник дросселя 2 работает в режиме управляемого частичного или полного перемагничивания, что отличает указанный режим от режима работы сглаживающего дросселя в условиях протекания однополярных токов по обмотке W₁ (фиг.5). Если на обмотку W₂ поступает импульс напряжения U_c длительностью t_и (фиг.4, в), то наводится уравновешивающая ЭДС



где W₂ - число витков размагничивающей обмотки дросселя; S - поперечное сечение сердечника магнитопровода дросселя.

Из (2) значение



Проинтегрировав выражение (3), получаем



где В(0) - начальное значение магнитной индукции сердечника при t=0.

Для поддержания уровня размагничивающего тока, когда напряжение U_c дозирующего конденсатора 11 становится меньше напряжения U_п источника подпитки, т.е. U_c<U, перемагничивание сглаживающего дросселя 2 осуществляется от источника подпитки, подключенного к аноду диода 12.

Обычно сглаживающий дроссель с воздушным зазором при протекании импульса тока якоря намагничивается до значения индукции В₁ (точка К) на основной кривой намагничивания сердечника (фиг. 5). По окончании импульса прерывистого тока, когда H₁-->0, точка К займет место точки N по нисходящей ветви а. При этом остаточная индукция B_N<B. Если по обмотке W₂ проходит импульс размагничивающего тока, действующего в промежутке ₁, то положение точки N изменится до N₁. По окончании импульса размагничивающего тока, протекающего по обмотке W₂, точка N₁ переместится в точку N₂ по восходящей кривой б₁. Остаточная намагниченность для точки N₂ сердечника значительно меньше в сравнении с точкой N, то есть индукция в магнитопроводе B₂<B. При воздействии последующих импульсов размагничивающего тока точка К будет перемещаться по ветвям частного предельного несимметричного гистерезисного цикла до момента, когда остаточная индукция не достигнет значения В_N4-->0, Н= 0.

Из выражения (4) следует, что



После интегрирования выражение (5) можно представить



Выражение (6) позволяет определить снижение индукции (В) в сердечнике при размагничивании дросселя в зависимости от уровня напряжения U_c и длительности t=t_и размагничивающего импульса t_и. Выражение (6) реализуется при работе блока управления 17, когда осуществляется программно изменение уровня напряжения _с заряда дозирующего конденсатора 11 при работе транзисторного ключа 9 и время разряда упомянутого конденсатора при работе транзисторного ключа 13, обеспечивающего импульс разрядного тока через обмотку W₂ сглаживающего дросселя и работающего от формирователя управляющих импульсов 18. Задавая частоту формирования размагничивающих импульсов от блока управления 17 на вход 2 формирователя управляющих импульсов 18, можно начальное (остаточное) значение индукции В(0) перед очередным намагничивающим импульсом прерывистого тока якоря уменьшать, что позволяет при намагничивании использовать только линейную часть участка кривой намагничивания сердечника сглаживающего дросселя. Значение приращения параметра В(t), в этом случае, значительно (в 1,5-2 раза) превышает аналогичное приращение в зоне насыщения и позволяет более эффективно использовать магнитопровод сердечника дросселя.

Следовательно, размагничивание сердечника сглаживающего дросселя программно N-числом импульсов (с возможностью изменения длительности t_и, частоты поступления импульсов на обмотку W₂ с амплитудой U_c) позволяет работать сердечнику не по частным циклам кривой намагничивания, а с частичным или полным перемагничиванием, что повышает эффективность использования магнитопровода сердечника. Регулирование уровня начального значения индукции [В(0)] позволяет по заданному коэффициенту пульсации тока якоря поддерживать необходимую индуктивность сглаживающего дросселя для снижения дополнительных потерь в ДПТ, особенно в зоне пониженной скорости вращения выходного вала ДПТ при режиме малых перемещений рабочего органа, в режиме позиционирования при прерывистых токах. Поскольку в механизмах повторно-кратковременного режима ДПТ работает с обязательным переходом через зону прерывистых токов, поддержание непрерывного тока в цепи якоря двигателя (фиг.4, г) за счет увеличения индуктивности сглаживающего дросселя программно значительно (на 8-20%) снижает дополнительные потери в ДПТ, повышает эффективность использования электрической энергии (значение ₁ уменьшается до ₂0).

Таким образом, совокупное использование приведенных схемотехнических решений позволяет обеспечить:

1. Плавное регулирование скорости, ускорения (замедления) торможения электропривода мехатронной системы, что исключает динамические удары в исполнительных механизмах, создает (придает) комфортность в работе транспортных средств.

2. Ресурсосберегающие режимы работы электропривода с использованием кинетической энергии вращающихся, перемещающихся масс с преобразованием ее в электрическую для перемагничивания сердечника сглаживающего дросселя при применении принципа динамического торможения, уменьшение потребления электроэнергии от автономного источника с напряжением U_п.

3. Снижение потерь в ДПТ за счет уменьшения коэффициента пульсаций тока якоря при более эффективном использовании сердечника сглаживающего дросселя, лучшее использование ДПТ в зоне малых скоростей работы электропривода.

4. Улучшенные массогабаритные показатели сглаживающего дросселя за счет более полного перемагничивания сердечника.

Источники информации

1. Патент 2168259 RU, МП7 H 02 P 5/16, опубл. 27.05.2001.

2. А.С. 1671119А1, МКИ6 H 02 К 29/00, опубл. 20.05.97.

3. Патент 2079963 RU, МКИ6 H 02 P 5/16, опубл. 20.05.97.

4. Патент 20011005323 (US 01005323) US, EP 1122870, МКИ H 02 М 3/24, опубл. 06.08.2001.

5. Патент 19617947 DE, МКИ H 02 М 1/12; H 02 P 7/28; H 02 К 23/08; H 02 М 3/10; опубл. 03.07.97 - прототип.