Устройство для управления электродвигателем переменного тока

(51)4 Н 02 Р 7/ БРЕТЕНИ ВТОРСНОМУ ТЕЛЬСТВ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ(72) А.Г.Мурач и В.С.Протопопов (53) 62-83:62 1.3 1 3 .33 .072. 9 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР Р 813653, кл. Н 02 Р 7/42, 1980.Авторское свидетельство СССР 9 13361 88, кл. Н 02 Р 7/42, 1 982.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА(57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для частотного управления электродвигателями. Целью изобретения является упрощение. Устройство для управления электродвигателем 3 переменного тока содержит управляемый преобразователь 1 частоты, составленный из инверторов 2.1-2.п по количеству фаз электродвигателя 3, датчик 4 измеряемого параметра, блок 5 рассогласования, преобЯО 14514 разователь 6 "напряжение-частота",блок 7 формирования пилообразногосигнала, цифровой блок 8 формированиягармонического сигнала, цифровую схему 13 сравнения, задающий. генератор14, формирователь 15 импульсов, генератор 17 импульсов синхронизации. Засчет выполнения формирователя 15 импульсов из инвертора 19, двух логических элементов 2 И 20, 21 и оперативно-запоминающих устройств 16.1 -16,2 п уменьшается в: и раз количествоблоков 8 формирования гармоническихсигналов, уменьшается объем постоянно программируемого запоминающегоустройства 12, т,к. формирование амплитуды и частоты управляющего сигнала производится в цифровом виде наодних и тех же элементах, что упрощает устройство и гарантирует симметричность выходных напряжений фаз преобразователя. 8 ил.-полиграфическое предприятие, г. Ужг роектная,ул рсзводс гве Заказ 1492/5 б Тираж 548 ПодписноеВНИИПИ ; о.ударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для частотного управления электродвигателями.Целью изобретения является упрощение.На фиг. 1 показана структурная схема. устройства для управления многофазным электродвигателем переменного тока; на фиг. 2 - диаграммы, поясняющие процесс формирования кодов углов задания фазы; на фиг. 3 - диаграммы, поясняющие процесс формирования кода гармонического сигнала; на 15 фиг. 4 - временная диаграмма сигналов на выходе дешифратора; на фиг. 5 - , диаграммы, поясняющие процесс форми,рования сигнала амплитуды; на фиг. 6 -диаграммы сигналов управления сило выми ключами; на фиг. 7 и 8 " блок задания угла для управления шестифазным и двенадцатифазным двигателем соответственно.Устройство для управления электродвигателем переменного тока (фиг. 1) содержит управляемый преобразовательчастоты, составленный из силовых инверторов 2.1-2.п по количеству фаз электродвигателя 3, датчик 4 измеряемого параметра электродвигателя 3, выход которого соединен с первым входом блока 5 рассогласования, второй вход которого служит для подачи сигнала задания, а выход указанного бло- З ка 5 соединен с входом преобразовате" ля 6 напряжение - частота и с информационным входом цифрового блока 7 формирования пилообразного сигнала, цифровой блок 8 формирования гармонического сигнала, составленный из последовательно соединенных цифрового генератора 9 пилы, цифрового сумматора 10, инвертора 11 кода и постоянно программируемого запоминающего уст ройства 12, выходы которого образуют выходы блока 8 формирования гармонического сигнала и соединены с первыми входами цифровой схемы 13 сравнения, вторые входы которой соединены 5 О с выходами цифрового блока 7 формирования пилообразного сигнала, задающий генератор 14, формирователь 15 импульсов, включающий в себя оперативные запоминающие устройства 16,1- 16.2 п, генератор 17 импульсов синхронизации, соединенный с входами синхронизации преобразователя 6 напряжение - частота, цифрового блока 7 фор" мнрования пилообразного сигнала и задающего генератора 14.Вход цифрового генератора 9 пилыобразует вход цифрового блока 8 формирования гармонического сигнала иподключен к выходу преобразователя 6напряжение - частота, первый входформирователя 15 импульсов соединенс выходом цифровой схемы 13 сравнения, вторые входы формирователя 15импульсов соединены с выходами задающего генератора 1 4 и связаны с вторыми входами цифрового сумматора 10,выходы формирователя 15 импульсовсоединены с управляющими входами преобразователя 1 частоты, формирователь 15 импульсов снабжен коммутатором 8 полупериодов, составленным изинвертора 19 и двух логических элементов 2 И 20 и 21, первые входы которых объединены и образуют первый входформирователя 5 импульсов, второйвход первого логического элемента 2 И20 соединен с выходом инвертора 19,вход которого соединен с вторым вхо-дом второго логического элемента 2 И21 и образует третий вход формирователя 5 импульсов, соединенный с выходом старшего разряда цифрового сумматора 1 О, выходы оперативных запоминающих устройств 16 образуют выходыформирователя 15 импульсов, первыевходы четных оперативных запоминающихустройств 16 объединены и подключенык выходу второго логического элемента 2 И 21, первые входы нечетных оперативных запоминающих устройств 16объединены и подключены к выходу первого логического элемента 2 И 20, вто;рые входы оперативных запоминающихустройств 16 попарно объединены и образуют вторые входы формирователя 15импульсов.Устройство работает следующим образом,Блок 5 рассогласования сравниваетсигнал задания от внешнего задающегоустройства и сигнал с выхода датчика4 измеряемого параметра, Сигнал рассогласования (фиг.2,) подается навход преобразователя 6 напряжениечастота. На его выходе вырабатывается последовательность импульсов(фиг.2, Г), частота которых прямопропорциональна амплитуде входногосигнала. Эти импульсы приходят навход цифрового генератора 9 пилы,представляющего собой двоичныйЛ 14 (щ+1)-й разрядный счетчик с самосбросом. С выхода цифрового генератора 9 пилы снимается параллельный (щ+1)-й разрядный двоичный код, числовое значение которого (фиг.2, о, ) меняется во времени пропорциональйо сигналу 57141(щ)-го разряда о 112 -2" первого разряда (1) данной фазы относительно первой. Этуфункцию осуществляет сумматор 1 О, 20 складывающий код угла первой фазы икод сдвига фаз, вырабатываемый задающим генератором 14, в состав которого входят счетчик 22, дешифратор 23и блок 24 задания угла.25 Рассмотрим работу цифрового блока 7 формирования пилообразного сигнала. Сигнал с выхода блока 5 рассогласования поступает на вход преобразователя 25 напряжение - частота, на 30 выходе которого имеем последовательность импульсов с частотой Г, которая зависит от управляющего напряжения П (Фиг.5, Е и Б ). Сигнал с выхода делителя 26 частоты поступает 35 на вход обнуления регистра цифровогогенератора 27. На счетный вход цифрового генератора 27 пилообразного сигнала поступают импульсы с преобразователя 25 напряжение - частота. Вы ход цифрового генератора 27 пилообразного сигнала представляет собой(щ)-й разрядный параллельный двоичный код. Формирователь 28 запретасчета представляет собой (щ)-й вхо довый логический элемент И-НЕ, Припереполнении регистра цифрового генератора 27 с выхода формирователя28 запрета счета на вход запрета цифрового генератора 27 поступает сигнал 50 логического 1011 и счет останавливается. При приходе на вход обнуления регистра цифрового генератора 27 пилытактового импульса (фиг.5, Е-такт)с выхода делителя 26 частоты происхо дит обнуление выходных регистров цифрового генератора 27, представляющего собой (щ)-й разрядный счетчик.Делитель 26 частоты делит высокуючастоту импульсов синхронизации. В На фиг.З, з 1 и Ы, показана синусоидальная кривая, Если записать в постоянное программируемое запоминающее устройство 12 значения синусоиды в промежутке 0 - Т/2, то можно сфор мировать синусоидальный сигнал, исходя из следующих соображений. В промежутке 0 - Т/2 или в соответствующем ему цифровом значении 0 - 2 требуется на выходе постоянного,программируемого запоминающего устройства 1 2 код восходящей ветви синусоиды. В промежутке /2 - и (или в цифровом16 м 41значении 2 - 2 ) требуется код падающей ветви синусоиды. Это достигается тем, что инвертор 11 кода, представляющий собой (щ)-ю ячейку, ИС КЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, в зависимости от значения сигнала на выходе щ-го разряда сумматора 10 (Фиг.З, М 1 ) пропускает прямой или йнвертированный код с выходов (щ)-х младших разрядов сумматора 10, причем код на выходе этих разрядов задает угол в промежутке 0 - /2. Знак синусоиды определяется только значением сигнала на выходе старшего (щ+1)-го разряда сумматора1 О (фиг.З, Ы). Таким образом, на выходе постоянного программируемого запоминающего устройства 12 получается код синусоидального сигнала без учета знака (фиг.З, з 1 и Ыца) е Код на выходе инвертора1 кода показан на фиг.З, кь, . Для формирования многофазного синусоидального сигнала используется принцип разделения во времени. Цифровой генератор 9 пилы задает угол первой Фазы в промежутке О - 2. Для формирования п-й фазы требуется в определенный промежуток времени прибавить к углу первой фазы требуемый угол, определяющий сдвиг мт2 - 2 Т - на выходел +Р- а-м и2Ф2 рассогласования, причем при достиже 3 Ъ 4 1нии числового значения кода 2счетчик обнуляется и счет начинаетсяснова. Если число 2соответствует5м+углу 2 Т, то число 2 соответствуетуглуи т. д.делителе 26 частоты формируются короткие импульсы (фиг.5, Г-такт), ко-.торые определяют несущую частоту широтно-импульсной модуляции. На фиг.5,А показано изменение числового значения кода на выходе цифрового генератора 27 в зависимости от напряжения11 на выходе блока 5 рассогласования.,Код с выхода цифрового генератора 27 10(фиг.6, А) поступает на первые входы схемы 13 сравнения, на выходе которой формируется сигнал логической"1" (фиг.6, М) в случае, когда числовое значение этого кода меньше числового значения с выхода постоянногопрограммируемого запоминающего устройства 12 (фиг.6, здпЫ). В зависимости от значения сигнала на выходестаршего (ш+1)-го разряда сумматора 201 О (фиг.6, оС" ) коммутатор 18 полупериодов разделяет промодулированный несущей частотой синусоидальныйсигнал на полупериоды (фиг.6, М и+М ). 25При формировании многофазных сигналов принцип работы инвертора 11 кода, постоянного программируемого запоминающего устройства 12, схемы 13сравнения и коммутатора 1 8 полупериодов не изменяется, а для разделенияпо фазам модулированного и-фазногосигнала используются оперативные запоминаницие устройства 16, которыепредставляют собой П-триггеры, на ин- З 5формационные входы которых приходятмодулированные многофазные сигналыполупериодов, а на входы записи приходят импульсы (фиг.4, ГГ) с соответствующего выхода дешифратора 23, 40которыми производится выборка импульсов нужной фазы. На силовые. ключи инверторов 2 приходит модулированныйсигнал нужной фазы. На фиг. 6,показана форма модулированного напря Бжения, поступающего на обмотку электродвигателя,Блок 24 задания угла представляетсобой в общем случае постоянное программируемое .запоминающее устройство, цкуда записываются углы каждой изи фаз. Однако в некоторых случаяхвозможна замена стандартных постоянно программируемых запоминающих устройств на более простые схемные решения блока 24 задания угла. При использовании устройства для управлениядвухфазным двигателем блок 24 заданияугла соединяет нулевую. точку источни тогда2 у Г1О 1 1 2 3с 2 +2=2 +2 +2 +(5) Аналогично можно найти числа, соответствующие углам 2 7, 2/3, 4 Т/3 для нечетных ш, Для управления трехфазным двигателем требуется получить углы сдвига фаз синусоид 2 Я /3 и 4 ц/3, что соответствует прибавлению к коду угла первой фазы соответственно чисел ка питанияцифровых схем с первыми входами всех, кроме ш-го, разрядов сумматора 10,а его первый вход ш-го разряда соединен с вторым выходом дешифратора 23, так как требуемый угол сдвига фаз для двухфазного двигателя равен т /2, что соответствует числовому значению кода первого слагаемого сумматора 10-2 , а в двоичном коде это число выглядит как "1" в ш-м раз ряде (формула (1). Для управления трехфазным двигателем блок 24 задания угла соединяет все нечетные первые входы сумматора 10 с вторым выходом дешифратора 23, а все четные первые входы сумматора 10 - с третьим выходом дешифратора 23. Такая схема соединений вытекает из следующих сообра-, жений. Изследует что числу 2щей соответствует угол 2 Г. Можно доказать чтот+-, гг.которые соответЕ:о е=- ственпо содержат единипы в четных илинечетных разрядах.5На фиг. 2, Ыд показано формирование числовых значений углов трехфазной системы в соответствии с импульсами (фиг. 3, Г Г, Г) на выходе дешифратора 23. На фиг, 7 показана схема блока 24 задания угла дляуправления шестифазным электродвигателем, где с целью упрощения конст-,рукции блок 24 задания угла состоит из двух элементов 2 ИЛИ 29 и 30, 15одного элемента 3 ИЛИ 31, причем четвертый, пятый и шестой выходы дешифратора 23 соединены с входами элемента 3 ИЛИ 31, выход которого сое 1 цинен с первым входом старшего (ш+1) 20го разряда сумматора 10, остальныепервые нечетные вхЬды которого соединены с выходом элемента 2 ИЛИ 29, аостальные первые четные входы сумматора 10 соединены с выходом элемента 2 ИЛИ 30, входы которого соединены с третьим и шестым входами дешифратора 23, второй и пятый выходыкоторого соединены с входами элемента 2 ИЛИ 29.Аналогично, как и для управлениятрехфазным двигателем, для управленияшестифазным двигателем на первых вхо.дах сумматора 10 с помощью элементов2 ИЛИ 29 и 30 и элемента 3 ИЛИ 31формируются коды, числовые значениякоторых соответствуют углам о/3,2 и/3, Я", 4 Ю(3, 5 Т/3, которые находимиз (1) и (5):пнТ юТ/3 -- в . 2= 2; (6)32 и+2 ъ2 о/3 . - =2; (7)ф е:о2 (8) 45т-4 о/3- 2+, 2 (9)е=(10)е=оНа фиг. 8 показана схема блока 24 50задания угла для управления двенадцатифазным электродвигателем, где блок24 задания угла состоит из элементов 4 ИЛИ 32 и 33, элементов 6 ИЛИ34 и 35, причем седьмой, восьмой, девятый, десятый, одиннадцатый идвенадцатый выходы дешифратора 23 соединены с входами элемента 6 ИЛИ 35, выход которого соединен с первым входом старшего (в+1)-го разряда сумматора 10, первый вход ш-го разряда которого соединен с выходом элемента 6 ИЛИ 34, а остальные нечетные первые входы сумматора 10 соединены с выходом элемента 4 И 1 П 1 32, а четные соединены с выходом элемента 4 ИЛИ 33, входы которого соединены с третьим, шестым, девятым и двенадцатым выходами дешифратора 23, второй, пятый, восьмой и одиннадцатый выходы которого соединены с входами элемента 4 ИЛИ 32, а четвертый, пятый, шестой, десятый, одиннадцатый и двенадцатый выходы соединены с входами элемента 6 ИЛИ 34.Таким же образом, как и для управления шестифазным двигателем, для управления двенадцатифазным двигателем на первых входах сумматора 1 0 с помощью элементов 4 ИЛИ 32 и 33 и элементов 6 ИЛИ 34 и 35 формируются коды, числовые значения которых соответствуют углам о /6, о /3, % /2, 2 о/3, 5 и/6, о, 7 Г/6, 4 ЧЗ, Зн/2, 5/3, 11 о/6, которые находим из формул (6) - (10):Г 111-1-- , 2С=о 5 о2+2+23 -а11 ое---- 2 + 2 + 23 е=Предлагаемые схемы блока 24 задания угла для частотных случаев позволяют с помощью соответствукщих соединений и использования логических элементов заменить дорогие стандартныепостоянно программируемые запоминающие устройства, требующие также залпси программы.9 14571Благодаря указанной схеме устройства управления упрощается конструкция, так как в и раз уменьшается количество формирователей 18 гармони"5. ческих сигналов, в которых исключаетсяпреобразователь код - аналог и уменьшается объем постоянного программируемого запоминающего устройства 2 (наиболее дорогостоящие бло-. 1 О ки), так как формирование амплитуды и частоты управляющего сигнала производится в цифровом виде и на одних и тех же элементах, гарантируется равная величина частот и амплитуд вы ходных фаз преобразователя частоты, увеличивается помехоустойчивость, уменьшается зависимость работы устройства от температуры и колебаний питающего напряжения. 20Формула изобретенияУстройство для управления электродвигателем переменного тока, содержа щее управляемый преобразователь частоты, составленный из силовых инверторов по количеству фаз электродвигателя,датчик измеряемого параметра электродвигателя, выход которого сое дннен с первым входом блока рассогла" сования, второй вход которого слулжт для подачи сигнала задания, а выход указанного блока соединен с входом преобразователя напряжение - частота и с информационным входом цифрового блока формирования пилообразного сигнала, цифровой блок формирования гар 1 монического сигнала, составленный Из последовательно соединенных цифро вого генератора пилы, цифрового сумматора, инвертора кода и постоянно- программируемого запоминающего устройства, выходы которого образуют выходы блока формирования гармонического сигнала и соединены с первыми входами цифровой схемы сравнения, вторые "входы которых соединены с выходами цифрового блока формирования 41 Опилообразного сигнала, задающий генератор, формирователь импульсов, включающий в себя оперативные запоминаю"щие устройства, генератор импульсовсинхронизации, соединенный с входамисинхронизации преобразователя напряжение - частота, цифрового блока формирования пилообразного сигнала и задающего генератора, вход цифровогогенератора пилы образует вход цифрового блока формирования гармонического сигнала и подключен к выходу преобразователя напряжение - частота,первый вход формирователя импульсовсоединен с выходом цифровой схемысравнения, вторые входы формирователя импульсов соединены с выходами задающего. генератора и связаны с вторыми входами цифрового сумматора, выходы формирователя импульсов соединены с управляющими входами преобразователя частоты, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью упрощения,формирователь импульсов снабжен коммутатором полупериодов, составленнымиз инвертора и двух логических элементов 2 И, первые входы которых объединены и :образуют первый вход формирователя импульсов, второй вход первого логического элемента 2 И соединен с выходом инвертора, вход которого соединен с вторым входом второгологического элемента 2 И и образуеттретий вход формирователя импульсов,соединенный с выходом старшего разряда цифрового сумматора, выходы оперативных запоминающих устройств образуют выходы формирователя импульсов,первые входы четных оперативных запоминающих устройств объединены и подключены к выходу. второго логическогоэлемента 2 И, первые входы нечетныхоперативных запоминающих устройствобъединены и подключены к выходу первого логического элемента 2 И, вторыевходы оперативных запоминающих устройств попарно объединены и образуютвторые входы формирователя импульсов.