Электропривод постоянного тока

 

Изобретение может быть использовано для регулирования частоты вращения электродвигателей постоянного тока при питании от сети переменного тока. Электропривод постоянного тока содержит коллекторный электродвигатель постоянного тока, выпрямительный мост, шунтирующий и разделительный диоды, силовой ключ, стабилизатор напряжения, делитель напряжения, компаратор, активный фильтр нижних частот и задатчик частоты вращения. Электропривод дополнительно включает фильтр нижних частот, компаратор, ключ, делитель напряжения, диод и датчик тока, выход которого соединен через фильтр нижних частот с неинвертирующим входом дополнительного компаратора, инвертирующий вход которого подключен к выходу задатчика частоты вращения через дополнительный делитель напряжения, а выход дополнительного компаратора одновременно соединен с входом дополнительного ключа и через диод с неинвертирующим входом компаратора, причем выход дополнительного ключа подключен к входу силового ключа. Технический результат заключается в повышении надежности электропривода. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования частоты вращения электродвигателей постоянного тока при питании от сети переменного тока.

Известен электропривод постоянного тока [1], содержащий коллекторный электродвигатель постоянного тока, который шунтирован диодом и через разделительный диод и силовой ключ включен в диагональ выпрямительного моста, стабилизатор напряжения, делитель напряжения, выход которого одновременно подключен к инвертирующему входу компаратора и входу активного фильтра нижних частот, при этом выход компаратора соединен с входом силового ключа, а выход активного фильтра нижних частот подключен ко входу задатчика частоты вращения, выход которого соединен с неинвертирующим входом компаратора.

Недостатком известного электропривода является недостаточная надежность, обусловленная выходом из строя элементов силовой цепи питания электродвигателя (силовой ключ, выпрямительный мост) при значительных перегрузках электропривода по току, вызванных, например, заклиниванием вала электродвигателя вращающимися механическими элементами устройства, исполнительным механизмом которого он является, появлением к.з. витков в обмотках электродвигателя и т.п.

Задачей, на решение которой направлено создание предлагаемого изобретения, является повышение надежности электропривода.

Поставленная цель достигается тем, что в электропривод, содержащий коллекторный электродвигатель постоянного тока, выпрямительный мост, шунтирующий и разделительный диоды, силовой ключ, стабилизатор затор напряжения, делитель напряжения, компаратор, активный фильтр нижних частот и задатчик частоты вращения, дополнительно введены фильтр нижних частот, компаратор, ключ, делитель напряжения, диод и датчик тока, выход которого соединен через фильтр нижних частот с неинвертирующим входом дополнительного компаратора, инвертирующий вход которого подключен к выходу задатчика частоты вращения через дополнительный делитель напряжения, а выход дополнительного компаратора одновременно соединен с входом дополнительного ключа и через диод с - неинвертирующим входом компаратора, причем выход дополнительного ключа подключен к входу силового ключа.

На чертеже приведена функциональная схема электропривода постоянного тока.

Электропривод содержит коллекторный электродвигатель постоянного тока 1, который шунтирован диодом 2 и через разделительный диод 3, силовой ключ 4 и датчик тока 5 включен в диагональ выпрямительного моста 6. Делитель напряжения 7 и стабилизатор напряжения 8 параллельно включены в диагональ выпрямительного моста 6. Выход делителя напряжения 7 соединен с инвертирующим входом компаратора 9 и входом активного фильтра нижних частот 10. Выход активного фильтра 10 соединен с входом задатчика частоты вращения 11, выход которого соединен с неинвертирующим входом компаратора 9. Выходы компаратора 9 и ключа 12 подключены к входу силового ключа 4. Выход датчика тока 5 соединен с неинвертирующим входом дополнительного компаратора 13 через фильтр нижних частот 14, а выход компаратора 13 одновременно подключен к входу ключа 12 и через дополнительный диод 15 - к неинвертирующему входу компаратора 13. Инвертирующий вход компаратора 13 подключен к выходу задатчика частоты вращения 11 через дополнительный делитель напряжения 16.

Электропривод работает следующим образом. При включении электропривода в сеть переменного тока на функциональные элементы схемы поступает постоянное напряжение питания U_п с выхода стабилизатора напряжения 8. Одновременно на инвертирующий вход компаратора 9 с выхода делителя 7 подается сетевое выпрямленное напряжение U_к^- в виде полуволн положительной полярности и амплитудой, не превышающей допускаемого входного напряжения компаратора, а на неинвертирующий вход подается постоянное напряжение U_к⁺ с выхода задатчика частоты вращения 11, которое (в зависимости от положения органа управления устанавливается от 0 до U_ф на выходе активного фильтра 10). При этом, когда постоянное напряжение U_к⁺ на неинвертирующем входе превышает переменное напряжение U_к^- на инвертирующем входе, компаратор 9 срабатывает и открывает силовой ключ 4. Таким образом длительность открытого состояния силового ключа определяется величиной напряжения U_к⁺ на выходе задатчика частоты вращения и, следовательно, задавая напряжение U_к⁺ можно регулировать величину напряжения на электродвигателе 1 от нуля до максимального сетевого напряжения.

При колебаниях напряжения в сети изменяется амплитуда переменного напряжения U_к^- на инвертирующем входе компаратора, но практически одновременно меняется напряжение U_ф на выходе активного фильтра 9. Так как выходное напряжение U_ф активного фильтра является входным для задатчика частоты вращения 10, то напряжение U_к⁺ на неинвертирующем входе компаратора отслеживает колебания напряжения в сети, и, следовательно, длительность открытого состояния силового ключа 3 практически не изменяется. Это позволяет исключить значительные колебания напряжения на электродвигателе при изменении сетевого напряжения.

При работе электропривода, на выходе датчика 5 (выполненного, например, в виде последовательно включенного в цепь силового ключа 4) формируется сигнал в виде переменного напряжения, пропорционального величине тока, протекающего через электродвигатель 1. Выходной сигнал датчика тока 5 подается на вход фильтра нижних частот 14, на выходе которого формируется сигнал в виде постоянного напряжения, пропорционального току. Величина постоянной времени фильтра нижних частот 14 выбирается достаточной для фильтрации выходного сигнала датчика, но не превышающей величину времени, в течение которого допускаются кратковременные перегрузки по току элементов силовой цепи электропривода (выпрямительный мост, силовой ключ, электродвигатель). Выходной сигнал фильтра нижних частот 14 поступает на неинвертирующий вход компаратора 13, на инвертирующий вход которого подается постоянное напряжение с выхода двигателя 16, определяющее величину уставки по предельно допустимому току. При этом выходное напряжение делителя 16 (уставка по току) определяет величину предельно допустимого тока через электродвигатель, соответствующую величине напряжения на электродвигателе, так как входным напряжением делителя 16 является выходное напряжение задатчика частоты вращения 11, которое определяет величину напряжения на электродвигателе, в зависимости от положения органа управления задатчика частоты вращения и величины сетевого напряжения.

При работе электропривода в диапазоне допускаемых нагрузок величина напряжения на неинвертирующем входе компаратора 13 не превышает величину напряжения на инвертирующем входе и, следовательно, выходной сигнал компаратора 13 равен 0. При этом ключ 12 закрыт и на вход силового ключа 4 поступают управляющие импульсы с выхода компаратора 9. При появлении на валу электродвигателя нагрузки, превышающей допустимую, заклинивание вала, наличие к. з. витков в обмотках электродвигателя, увеличивает ток через электродвигатель, что приводит к повышению напряжения на неинвертирующем входе компаратора 13 и его срабатыванию. При этом напряжение на электродвигателе 1 становится равным 0, так как ключ 12 открывается и задерживает управляющие импульсы, поступающие с выхода компаратора 9 на вход силового ключа 4. Одновременно положительное выходное напряжение компаратора 13 поступает на неинвертирующий вход через диод 15 и фиксирует компаратор 13 в этом состоянии, что позволяет исключить повторное включение электропривода. Для повторного включения электропривода необходимо отключить его от сети переменного тока и снова включить.

Таким образом, введение в электропривод схемы защиты по току, обеспечивающей формирование уставки по току, пропорциональной напряжению на электродвигателе, и фиксацию схемы, после ее срабатывания, в отключенном состоянии, обеспечивает надежную защиту электропривода от аварийных режимов работы во всем диапазоне частот вращения.

Предлагаемый электропривод апробирован в составе привода бытовых швейных машин "Чайка-143А", оверлоков "Прима". "Крош" на базе универсальных коллекторных электродвигателей с полезной мощностью до 60 Вт.

Результаты испытаний показали достаточно высокую надежность работы схемы защиты электропривода по току, что позволяет значительно повысить надежность и долговечность электропривода при эксплуатации.

Функциональные элементы схемы электропривода могут быть реализованы на различных общеизвестных схемных решениях и конструктивно могут быть выполнены на различных сериях полупроводниковых приборов. На чертеже приведен пример реализации электропривода на базе операционных усилителей, при этом вся схема может быть достаточно компактно реализована на базе одной микросхемы КР 1401 УД2Б, содержащей четыре операционных усилителя и допускающей однополярное питание.

Таким образом, введение в схему электропривода дополнительных функциональных элементов и новых связей позволяет повысить потребительские и технические качества устройств, в которых используется электропривод.

Список литературы 1. Патент РФ N 2092963, H 02 P 5/418, БИ N 28, 1997 - прототип.

Формула изобретения

Электропривод постоянного тока, содержащий коллекторный электродвигатель постоянного тока, который шунтирован диодом и через разделительный диод и силовой ключ включен в диагональ выпрямительного моста, стабилизатор напряжения, делитель напряжения, выход которого соединен с входом активного фильтра нижних частот и инвертирующим входом компаратора, выход которого подключен к входу силового ключа, а выход активного фильтра нижних частот соединен с входом задатчика частоты вращения, выход которого соединен с неинвертирующим входом компаратора, отличающийся тем, что в него дополнительно введены фильтр нижних частот, компаратор, ключ, делитель напряжения, диод и датчик тока, выход которого соединен через фильтр нижних частот с неинвертирующим входом дополнительного компаратора, инвертирующий вход которого подключен к выходу задатчика частоты вращения через дополнительный делитель напряжения, а выход дополнительного компаратора одновременно соединен с входом дополнительного ключа и через дополнительный диод с неинвертирующим входом дополнительного компаратора, причем выход дополнительного ключа подключен к входу силового ключа.

РИСУНКИ

Рисунок 1