Мостовой инвертор и схема его управления

 

Изобретение относится к схемам питания реактивными индукторными двигателями. Технический результат: повышение надежности мостового инвертора. С этой целью в схему управления введен элемент защиты, который обеспечивает блокировку сигналов управления ключами при превышении фазным током двигателя предельного уровня. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а точнее к системам управления реактивными индукторными электродвигателями для бытовой техники.

Известен мостовой инвертор и схема управления таким инвертором (патент RU 2139624 С1, кл. 6 Н 02 М 7/48, Н 02 Р 7/36), который предназначен для питания реактивной индукторной электрической машины. Плечи инвертора состоят из верхнего и нижнего коммутационных элементов, соединенных последовательно с фазными обмотками машины. Верхний обратный диод включен параллельно последовательной цепи, образованной верхним коммутационным элементом и фазной обмоткой. Нижний обратный диод включен параллельно последовательной цепи, образованной нижним коммутационным элементом и фазной обмоткой. Последовательные цепи подсоединены к внешнему источнику постоянного тока. Схема управления включает в себя управляющий элемент, компаратор, логический элемент И, источник опорного напряжения. Схема снабжена одновибратором, задающим максимальную частоту коммутации первого ключа при работе инвертора в режиме ограничения тока двигателя.

Недостатком данного мостового инвертора, принятого за прототип, и схемы управления таким инвертором является его недостаточная надежность. При работе инвертора с реактивным индукторным двигателем возможны такие режимы, при которых, несмотря на отключение одного ключа инвертора, фазный ток двигателя не уменьшается, а продолжает нарастать, что может вызвать повреждение полупроводниковых ключей. Предлагаемое изобретение направлено на расширение функциональных возможностей и повышение надежности мостового инвертора за счет исключения режимов работы с неконтролируемым увеличением тока двигателя.

С этой целью в мостовой инвертор, содержащий два ключа и два диода, выводы для подключения источника постоянного напряжения и нагрузки, положительный вывод источника постоянного напряжения подключен к выводу первого ключа и катоду первого диода, другой вывод первого ключа подключен к первому выводу для подключения нагрузки и катоду второго диода, отрицательный вывод источника постоянного напряжения подключен к выводу второго ключа и аноду второго диода, другой вывод второго ключа подключен ко второму выводу для подключения нагрузки и аноду первого диода, причем второй ключ имеет токоизмерительный выход, кроме того, логический элемент И, источник опорного напряжения, управляющий элемент, первый выход которого соединен с первым входом логического элемента И, устройство определения положения ротора, соединенное с входом управляющего элемента, устройство сравнения, входы которого соединены с источником опорного напряжения и токоизмерительным выходом второго ключа, выход соединен с третьим входом логического элемента И, а также одновибратор, вход которого соединен с выходом логического элемента И, выход - со вторым входом логического элемента И, согласно данному заявлению, введен элемент защиты, имеющий первый вход, который соединен со входом одновибратора и с выходом логического элемента И, второй вход, который соединен с первым выходом управляющего элемента и с первым входом логического элемента И, выходы соединены с входами управления первым и вторым ключами, вход блокировки которой соединен с токоизмерительным выходом второго ключа, причем элемент защиты блокирует сигналы управления ключами при превышении током нагрузки предельного уровня.

Отмена режима блокировки сигналов управления ключами возможна при подаче на дополнительный вход элемента защиты сигнала от управляющего элемента.

Возможно расширение функциональных возможностей инвертора за счет изменения во время работы двигателя порога срабатывания устройства сравнения. Изменение порога срабатывания осуществляется по сигналу управляющего элемента.

Для уменьшения линий связи между мостовым инвертором, схемой управления и двигателем устройство определения положения ротора содержит датчик положения с двумя выводами, причем один из выводов датчика положения связан со схемой управления напрямую, а другой соединен с одним из выводов обмотки и связан с одним из выводов подключения нагрузки. При этом количество линий связи уменьшается до трех.

В дальнейшем изобретение поясняется примером конкретного выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показаны фиг.1 - мостовой инвертор и схема его управления; фиг.2 а - выходной сигнал управляющего элемента; фиг.2 б - ток двигателя; фиг.2 в - сигнал управления первого ключа; фиг.2 г - сигнал управления второго ключа.

Мостовой инвертор содержит (фиг.1) первый ключ 1 и второй ключ 2, имеющий токоизмерительный выход, соединенные последовательно с выводами для подключения нагрузки 3 и 4, а также первый диод 5, второй диод 6, положительный 7 и отрицательный 8 выводы для подключения источника постоянного напряжения 9, причем положительный вывод источника постоянного напряжения 7 подключен к выводу первого ключа 1 и катоду первого диода 5, другой вывод первого ключа 1 подключен к выводу для подключения нагрузки 3 и катоду второго диода 6, отрицательный вывод источника постоянного напряжения 8 подключен к выводу второго ключа 2 и аноду второго диода 6, другой вывод второго ключа подключен к выводу для подключения нагрузки 4 и аноду первого диода 5. Инвертор содержит также логический элемент И 10, устройство сравнения 12, входы которого соединены с источником опорного напряжения 11 и токоизмерительным выходом второго ключа 2, одновибратор 13, выход которого соединен со вторым входом логического элемента И 10, вход соединен с выходом логического элемента И 10 и первым входом элемента защиты 17, управляющий элемент 14, первый выход которого соединен с первым входом логического элемента И 10 и вторым входом элемента защиты 17, устройство определения положения ротора, включающее в себя датчик положения 15 с двумя выводами, связанный механически с ротором двигателя 16, и устройство обработки сигнала датчика положения 18, выход которого связан со входом управляющего элемента 14. Входы управления первым и вторым ключами связаны с соответствующими выходами элемента защиты 17.

Предлагаемый вариант схемы управления мостовым инвертором может быть реализован с помощью микроконтроллера. При этом функции управляющего элемента 14, логического элемента 10, одновибратора 13, устройства сравнения 12 могут быть реализованы с помощью программно-аппаратных средств микроконтроллера.

Работу инвертора (фиг. 1) можно пояснить при помощи временных диаграмм (фиг. 2). Сигнал на подключение нагрузки к источнику питания 9, т.е. на замыкание ключей 1 и 2 в момент времени t₁, вырабатывается управляющим элементом 14 (фиг.2, а) и с его первого выхода поступает на второй вход элемента защиты 17, а также на первый вход элемента 10. Сигнал на замыкание, поступающий на второй вход элемента 17, а также совпадение сигналов на замыкание на входах элемента 10 и появление такого же сигнала на его выходе и соответственно на первом входе элемента 17, вызовет появление сигналов на входах управления первым 1 и вторым 2 ключами.

В момент t₁ произойдет включение обоих ключей и нарастание тока в обмотке двигателя i (фиг.2, б) до значения i₁. В момент времени t₂, когда мгновенное значение напряжения на токоизмерительном выходе ключа 2, имеющее однозначную связь с током двигателя, превысит значение опорного напряжения Uоп, вырабатываемое элементом 11, устройство сравнения 12 выдает на третий вход логического элемента 10 сигнал на отключение ключа 1. В этот момент запускается одновибратор 13 на заданный интервал времени t₂-t₃, в течение которого на втором входе логического элемента 10 удерживается сигнал, который, проходя через элемент 10, держит ключ 1 в разомкнутом состоянии. В течение интервала ₂-t₃ ключ 1 выключен (фиг.2 в), ток в нагрузке спадает, замыкаясь через ключ 2 и обратный диод 6. Повторное замыкание ключа 1 возможно только после интервала времени, задаваемого одновибратором 13, что ограничивает предельную частоту коммутаций ключа 1. Сигнал на отключение нагрузки от источника питания вырабатывается элементом 14 в момент времени t₄ (фиг.2 а) и поступает через первый вход элемента 10 и элемента 17 на ключ 1 (фиг.2 в) и через второй вход элемента 17 на вход ключа 2 (фиг.2 г). По сигналу на отключение нагрузки размыкаются ключи 1 и 2. После размыкания ключей 1 и 2 ток в нагрузке быстро спадает через диоды 5 и 6 под действием обратного напряжения и в момент времени t₅ уменьшается до нуля.

Возможно расширение функциональных возможностей инвертора за счет изменения порога срабатывания устройства сравнения 12. Если, например, в промежуток времени t₅-t₆ на дополнительный вход элемента сравнения 12 поступит сигнал со второго выхода управляющего элемента 14 об изменении порога срабатывания, то отключение ключа 1 в момент времени t₇ произойдет при другом значении тока двигателя i₂. На фиг.2 б показан пример, когда i₂>i₁. Время выключенного состояния ключа 1 будет также определяться одновибратором 13. Реализация такого режима может понадобиться в устройствах с малым значением пускового момента (например, вентиляторы, пылесосы). Пуск двигателя будет происходить при малых значениях тока, при этом двигатель будет разгоняться плавно, без сильных вибраций. При достижении определенной скорости вращения происходит переключение порога срабатывания, ток двигателя, вращающий момент двигателя возрастет и произойдет дальнейшее увеличение частоты вращения.

Возможно также уменьшение порога срабатывания при работе двигателя. Возможность изменять порог срабатывания устройства сравнения позволяет гибко менять характеристики двигателя и расширить функциональные возможности устройства.

При работе мостового инвертора с реактивным индукторным двигателем возможен режим, в котором, несмотря на отключение первого ключа инвертора в момент времени t₉, фазный ток двигателя не уменьшается, а продолжает нарастать (фиг.2 б). Для исключения такого режима работы у элемента защиты имеется вход блокировки, связанный с токоизмерительным выходом ключа 2. При достижение фазным током предельного уровня i₃ происходит блокировка (интервал времени t₁₀-t₁₁) сигналов управления (фиг.2в, фиг.2г), несмотря на наличие разрешающих сигналов, поступающих с выхода элемента управления 14 (фиг. 2 а). Ключи 1 и 2 закрываются, и ток в нагрузке быстро спадает через диоды 5 и 6 под действием обратного напряжения. Отмена блокировки сигналов управления возможна при уменьшении тока ниже предельного значения и в зависимости от схемной реализации элемента защиты одним из следующих способов: при подаче специального сигнала на дополнительный вход элемента защиты от управляющего элемента; при формировании спадающих фронтов сигналов на первом и втором входах элемента защиты.

После отмены блокировки возобновляется нормальная работа инвертора.

При использовании в схеме управления микроконтроллера описанная выше защита мостового инвертора также эффективна при "зависании" микроконтроллера. В этом случае отменить блокировку возможно путем аппаратного сброса микроконтроллера и восстановлением его работоспособности либо путем отключения и повторного включения источника постоянного напряжения.

В некоторых устройствах актуальной задачей является получение минимального количества линий связи, идущих от двигателя к инвертору и схеме управления. К таким устройствам относятся, например, погружные насосы, герметичные компрессоры холодильников и кондиционеров. С этой целью в двигателе размещается датчик положения ротора 15, имеющий минимальное количество выводов - два. В качестве датчика положения может быть использована измерительная катушка, которая размещается на статоре двигателя, на роторе двигателя 16 устанавливается диск датчика положения с таким же числом зубцов, как у ротора. При вращении ротора меняется индуктивность измерительной катушки, в устройстве обработки сигнала датчика положения 18 происходит измерение текущих параметров катушки и однозначно определяется положение ротора относительно статора. Далее обработанная информация поступает на вход управляющего элемента 14. Для получения минимального числа проводников - три, один из выводов датчика положения 15 соединен с первым входом устройства обработки сигнала датчика положения 18, другой вывод датчика положения вместе с одним из выводов обмотки соединен с одним из выводов подключения нагрузки и вторым входом устройства обработки сигнала датчика положения. Следует отметить, что устройство обработки сигнала датчика положения выполняет также функции гальванической развязки схемы управления от силовых цепей мостового инвертора.

Формула изобретения

1. Мостовой инвертор, содержащий два ключа и два диода, выводы для подключения источника постоянного напряжения и нагрузки, положительный вывод источника постоянного напряжения подключен к выводу первого ключа и катоду первого диода, другой вывод первого ключа подключен к первому выводу для подключения нагрузки и катоду второго диода, отрицательный вывод источника постоянного напряжения подключен к выводу второго ключа и аноду второго диода, другой вывод второго ключа подключен ко второму выводу для подключения нагрузки и аноду первого диода, причем второй ключ имеет токоизмерительный выход, кроме того, логический элемент И, источник опорного напряжения, управляющий элемент, первый выход которого соединен с первым входом логического элемента И, устройство определения положения ротора, соединенное с входом управляющего элемента, устройство сравнения, входы которого соединены с источником опорного напряжения и токоизмерительным выходом второго ключа, выход соединен с третьим входом логического элемента И, а также одновибратор, вход которого соединен с выходом логического элемента И, выход - со вторым входом логического элемента И, отличающийся тем, что введен элемент защиты, имеющий первый вход, который соединен со входом одновибратора и с выходом логического элемента И, второй вход, который соединен с первым выходом управляющего элемента и с первым входом логического элемента И, выходы, соединенные с входами управления первым и вторым ключами, вход блокировки которой соединен с токоизмерительным выходом второго ключа, причем элементы защиты блокируют сигналы управления ключами при превышении током нагрузки предельного уровня.

2. Мостовой инвертор по п.1, отличающийся тем, что устройство сравнения имеет дополнительный вход, соединенный со вторым выходом управляющего элемента, причем сигнал управления, вырабатываемый управляющим элементом изменяет порог срабатывания устройства сравнения.

3. Мостовой инвертор по п.1 или 2, отличающийся тем, что элемент защиты имеет дополнительный вход, который соединен с дополнительным выходом управляющего элемента и служит для отмены блокировки сигналов управления ключами.

4. Мостовой инвертор по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что устройство определения положения ротора содержит датчик положения с двумя выводами и устройство обработки сигнала датчика положения, причем один из выводов датчика положения соединен с первым входом устройства обработки сигнала датчика положения, другой вывод датчика положения вместе с одним из выводов обработки связан с одним из выводов подключения нагрузки и вторым входом устройства обмотки сигнала датчика положения, выход устройства обработки сигнала датчика положения связан со входом управляющего элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2