Устройство для управления двухфазным асинхронным электродвигателем

(я)5 Н 02 Р 1/42 ЕТЕНИЯ 2 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБРАВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ ЬСТВУ(56) 1. Авторское свидетельство СССРИ.1300621, кл. Н 02 Р 736, 1985,2. Авторское свидетельство СССРМ 1254575, кл. Н 02 Р 5/06, 1985. Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электромашинных системах автоматики для стабилизации и контроля частоты вращения вала,Для приведения масс в горизонтальное или вращательное движение с постоянной скоростью от двухфазного асинхронного электродвигателя необходимо устройство, которое бы обеспечивало стабилизацию частоты вращения ротора с минимальными аппаратурными затратами и осуществляло автоматический контроль эа поддержанием уровня средней скорости вращения, выдавая сигнал о нарушении стабилизации,Известны устройства для управления двухфазным электродвигателем асинхронного типа, см, описания авт.св. СССР М 646409 и Ив 1300621, кл. Н 02 Р 7/36,Известное устройство для управления двухфазным асинхронным электродвигателем (авт. св, В 1300621) содержит диоднотранзисторный ключ переменного тока в цепиобмотки управления, фазосдвигающий конденсатор в цепи обмотки возбуждения,Я 1 1777225 А 1(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВУХФАЗНЫМ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕММ(57) Использование: электромашинные системы автоматики для стабилизации и контроля частоты вращения вала, Сущность изобретения: введение в состав устройства К-триггера и блока контроля, состоящего изК-триггера, элемента И-НЕ и двух сумматоров, позволило повысить надежность устройства и расширить его функциональные возможности эа счет обеспечения контроля режима работы, 1 з.п. ф-лы, 4 ил. блок гальванической развязки и усиленияимпульсов управления, датчик входного сигнала, индикатор входного сигнала, индикатор полярности входного сигнала, блокпилообразных напряжений, блок абсолютных значений входного сигнала, блоксравнения, блок определения моментоввключения диодно-транзисторного ключа,индикатор частоты вращения ротора, блокформирования импульсов управления ключевым элементом и логические элементы.Однако схема приведенного аналогасложна в построении и не осуществляет.стабилизацию частоты вращения ротора,При включении диодно-транзисторногоключа происходит постоянное потреблениеэлектроэнергии фазовых обмоток и вращение ротора. Отключение этого ключа связано с процессом динамического торможенияи последующим автоматическим отключением асинхронного электродвигателя от источника переменного напряжения приполной остановке ротора,Из известных устройств для управлениядвухфазным асинхронным электродвигате 17772255 10 15 20 30 35 40 45 50 55 лем наиболее близким по технической сущности является прототип, приведенный в описании авт.св. СССР К 1254575, кл, Н 02 Р 5/06, который содержит блок датчиков, два усилителя-формирователя, два ВЯ- триггера, опорный генератор, два делителя частоты, формирователь импульсов, интегратор, управляемую схему задержки, фазовый детектор и сумматор.Схема приведенного прототипа сложна в построении и ненадежна, В этом устройстве показан выход частоты импульсных сигналов с коррекцией погрешности изготовления датчика, Причем коррекция обеспечивает отдельный момент процесса стабилизации скорости электродвигателя и не учитывает изменения параметров питающего напряжения, нагрузки, температурных условий и т,д. В известном устройстве нет блоков согласования скорости электродвигателя с устройством индикации или нагрузки на валу, что позволило бы расширить функциональные возможности устройства.Целью изобретения является повышение надежности и расширение функциональных воэможностей устройства.Указанная цель достигается тем, что в устройство для управления двухфазным асинхронным электродвигателем, содержащее диодно-транзисторный ключ переменного тока с узлом гальванической развязки и усиления и фазосдвигающий конденсатор, предназначенные для включения в цепи соответственно обмотки управления и обмотки возбуждения асинхронного электродвигателя, делитель частоты, первый и второй входы которого подключены соответственно к шине разрешения и к выходу генератора, два ВЯ-триггера и датчик частоты вращения с формирователем, Я-входы первого и второго ВЯ-триггеров подключены соответственно к первому и второму выходам делителя частоты, введены К-триггер и блок контроля с пятью входами, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой входы К-триггера соединены соответственно с шиной разрешения, инверсными выходами первого и второго ВЯ-триггеров, первь 1 м выходом формирователя, прямыми выходами второго и первогО ВЯ-триггеров и третьим выходом делителя частоты, третий вход которого объединен с В-входами обоих ВЯ-триггеров и подключен к второму выходу формирователя, первый выход которого соединен с первым входом блока контроля, второй и третий входы которога соединены соответственно с четвертым и пятым выходами делителя частоты, выход 1 К-триггера соединен с входом узла гальванической развязки и усиления, чет. вертый и пятый входы и выход блока контроля предназначены для соединения соответственно с шинами первого и второго кодирования и шиной неисправности, Причем блок контроля содержит О-триггер, элемент И-НЕ и два сумматора, выходы переноса которых подключены к входам элемента И-.НЕ, выход которого подключен к О-входу О-триггера, при этом С-вход О- триггера образует первый вход блока контроля, первые и вторые входы первого и второго сумматоров образуют соответственно второй, третий, четвертый и пятый входы блока контроля, выход О-триггера образует выход блока контроля.На фиг.1 изображена функциональная схема устройства для управления двухфазным асинхронным электродвигателем; на фиг. 2 - функциональная схема подключения сумматоров к делителю частоты; на фиг.3 - схема датчика; на фиг, 4 - временные диаграммы напряжений и частоты вращения ротора,В предлагаемом устройстве для управления двухфазным асинхронным электродвигателем (фиг.1) один конец обмотки управления асинхронного электродвигателя 1 соединен с выходом диодно-транзисторного ключа 2 переменного така. Первый вход ключа 2 и другой конец обмотки управления электродвигателя 1 подключены к источнику переменного напряжения Оу., Второй вход ключа 2 соединен с вь 1 ходом узла 3 гальванической развязки и усиления. фазасдвигающий конденсатор 4 и обмотка возбуждения электродвигателя 1 соедине= ны последовательно и свободными концами подключены к источнику переменного напряжения 0. Первый вход (разрешение) и второй вход (синхронизации) делителя 5 частоты подключены соответственно к шине 6 разрешения и выходу генератора 7. Я-входы первого 8 и второго 9 ВЯ-триггеров подключены соответственно к первому и второму выходам делителя 5 частоты. Ротор электродвигателя 1 механически связан с датчиком 10 частоты вращения, выход которого соединен с входом формирователя 11, Первый вход (Я)К-триггера 12 соединен с шиной 6, второй и третий входы (1) соединены соответственно с инверсными выходами триггеров 8 и 9, четвертый вход(С) соединен с первым выходом формирователя 11, пятый и шестой входы (К) соединены соответственно с прямыми выходами триггеров 9 и 8, седьмой вход (В) соединен с третьим выходом (переноса) делителя 5 частоты, Первый вход блока 13 контроля соединен с первым выходом формирователя 11, второй выход которого подключен к третьему входу(уст,"0") делителя 5 частоты и к В-входам триггеров 8 и 9. Второй и третий входы блока 13 подключены соответственно к четвертому и пятому (информационным) выходам делителя частоты. Выход (инверсный) триггера 12 соединен с входом узла 3, Четвертый и пятый входы и вход блока 13 предназначены для соединения соответственно с шинами первого 14 и второго 15 кодирования и шиной 16 неисправности.Диодно-транзисторный ключ 2 состои из диодного моста 17, в одну из диагоналей которого переходами коллектора и эмиттера, соединенного с общей шиной, подключен транзистора 18. Один из выводов второй диагонали моста 17, подключенный к источнику переменного напряжения Оу, и переход базы транзистора 18 образуют соответственно первый и второй входы ключа, Другой вывод второй диагонали моста 17 образует выход ключа.Узел 3 гальванической развязки иусиления состоит из логического элемента НЕ 19, выход которого через резистор 20 связан с входом оптоэлектронного элемента 21, логического элемента НЕ 22. вход которого связан с выходом оптоэлектронного элемента 21, а выход - с общим выводом резисторов 23 и 24, и транзистора 25, переход базы которого связан со свободным выводом резистора 24, а переход эмиттера связан с резистором 26, подключенного к общей шине, Причем другой вход элемента 21, свободный вывод резистора 23 и переход ксллектора транзистора 25 подключены к шине +Рп источника питания. Вход элемента 19 и переход эмиттера транзистора 25 образуют соответственно вход и выход узла.Формирователь 11 состоит иэ операционного усилителя 27, выход которого соединен с входом логического элемента И-НЕ 28 другой вход, которого соединен с выходом элемента НЕ 29, и дифференцирующей цепочки типа ЯС 30 и 31. Причем общий вывод резистора 30, подключенного к общей шине, и конденсатора 31 соединен с входом элемента НЕ 29, а свободный вывод конденсатора 31 соединен с выходом элементе ИНЕ 28, Вход и выход усилителя 27 образует входи первый выход формирователя. Выход элемента НЕ 29 образует второй выход формирователя,В примере функциональной схемы делителя 5 частоты (см, фиг,2) содержится двоичный счетчик 36 и подключенные к его информационным выходам первый 37, второй 38 и третий 39 логические элементы И-НЕ. Выходы элементов И-НЕ 37 - 39 образуют соответственно первый, второй и третий выходы делителя частоты.Примером датчика 10 может служить узел (см. фиг.З), содержащий светонепроницаемый диск 40 с прорезью, который закрепляется на валу ротора, индикатор единичный 41 с ограничительным по току резистором 42 и фотодиод 43.блок 13 контроля (см. фиг,1) состоит из О-триггера 32, первого 33 и второго 34 сумматоров комбинационного типа, выходы которых соединены с входами логического элемента И-НЕ 35, выход последнего соединен с О-входом О-триггера 32, С-вход О- триггера 32 образует первый вход блока, первые и вторые входы сумматоров 33 и 34 образуют соответственно второй, третий и четвертый, пятый входы блока. Выход О- триггера 32 образует выход блока,Сведения о двухфазном асинхронном электродвигателе приведены в кн, Чечета Ю, С. Электрические микромашины автоматических устройств. - М.: Госэнергоиздат, 1957, с, 15-19, рис. 1-3 и 1-5.В качестве примера генератора эталонной частоты может служить схема кварцевого генератора, приведенная в статье Кафизова В.И, Универсальный делитель частоты на интегральных схемах. - Судостроение, 1987, М 12, с, 23, 24, рис. 4,Примеры логических элементов НЕ, ИНЕ, К-триггера, О-триггера, сумматора и двоичного счетчика приведены в кн, Интегральные микросхемы: Справочник/Б,В.Тарабрин, Л,Ф.Лунин, Ю,Н.Смирнов и др.: Под ред, Б.В.Тарабрина - М.: Радио и связь, 1983, с, 58-102, микросхемы серии К 155, КМ 155,Пример индикатора единичного приведен в кн. Вуколова Н,И. и Михайлова А,Н, Знакосинтезирующие индикаторы: Справочник/Под ред. В.П.Балашова, - М.: Радио и связь, 1987, с. 158-161.Пример оптоэлектронного элемента приведен в кн. Микроэлектроника, вып. 7: Под ред. А,А.Васенкова - М,: Сов, радио.1974, с,210-221,Примеры операционных усилителей приведены в кн. Нестеренко Б.К. Интегральные операционные усилители: Справочное пособие по применению - М,: Энергоиэдат, 1982,Устройство работает следующим образом.Пусть на фазовые обмотки управления и возбуждения асинхронного электродвига. теля 1 подаются соответственно напряжения Оу и Ов, например, от трансформатора, подключенного к однофаэной сети переменного напряжения, Генератор 7 вырабатыва 17772255 10 20 25 30 35 40 45 50 ет импульсы эталонной частоты Ь. При наличии на шине 6 разрешения сигнала лог. "0" синхровход делителя 5 частоты закрыт иК-триггер 12 находится в единичном состоянии - с его выхода снимается сигнал лог."0", На выходе узла 3 гальванической развязки и усиления присутствует сигнал лог. "0", который держит в закрытом состоянии диодно-транзисторный ключ 2 переменного тока, Электродвигатель 1 отключен.При поступлении на шину 6 сигнала лог. "1" происходит циклическое заполнение делителя 5 частоты последовательностью импульсов 1 э. В первом цикле на выходе переноса делителя 5 частоты появляется импульс Оп переполнения, который перебрасывает триггер 12 в нулевое состояние - на его выходе возникает сигнал лог, "1" (см, фиг,4 г, От), Тогда на выходе узла 3 появляется сигнал, который открывает ключ 2 (см. фиг, 4 д, Окл), и включает обмотку управления электродвигателя 1 (см, фиг, 4 е). Ротор начинает вращаться и каждый оборот вала фиксируется датчиком 10 частоты вращения, Формирователь 11 формирует с датчика 10 импульсные сигналы О 0,С. обратной связи (см, фиг. 4 в), которые опрашивают триггер 12 и блок контроля 13, а после этого устанавливаот ЯЯ-триггеры 8 и 9 и делитель 5 частоты в начальные состояния. Поэтому в последующих циклах заполнения импульсов 1 э импульс Оп не появляется. В каждом цикле на Я-входы триггеров 8 и 9 с делителя 5 частоты поступают соответственно импульсы частоты 1 в верхнего (см, фиг.4 а, Ов) и импульсы частоты 1 л нижнего (см. фиг,4 б, Он), пределов регулирования, которые устанавливают их в единичные состояния. Начинается процесс разгона вращения ротора (см. фиг, 4 ж) и возрастает частота 10,с, импульсов обратной связи (см. фиг. 4 в). Электродвигатель 1 остается включенным пока при появлении импульса О делитель 5 частоты успевает установить триггеры 8 и 9 в единичные состояния,На частоте вращения ротора верхнего предела, когда 10,с.в, при появлении сигналов лог, "1" на 1-входах триггер 12 устанавливается в единичное состояние импульсом Оо.с. - на его выходе появляется сигнал лог. "О" (см, фиг,4 г). В этом случае узел 3 запирает ключ 2 (см, фиг, 4 д) и обмотка управления электродвигателя 1 отключается (см. фиг,4 е), Происходит обратный процесс - плавное торможение вращения ротора за счет трения вала в подшипниках (см, фиг, 4 ж) и уменьшение частоты 1 о,с. (см. фиг, 4 в),Электродвигатель 1 остается отключенным пока при появлении О 0.с, делитель 5 частоты еще не успевает установить триггеры 8 и 9 в единичные состояния.На частоте вращения ротора нижнего предела, когда 10,с.1 Н, при появлении сигналов лог. "1" на К-входах триггер 12 устанавливается в нулевое состояние импульсом Оо.с. - на его выходе появляется сигнал лог. "1" (см, фиг. 4 г). Ключ 2 открывается (см. фиг, 4 д) и выключается обмотка управления электродвигателя 1 (см. фиг,4 е). Снова происходит процесс разгона вращения ротора (см. фиг, 4 ж). Цикл повторяется и так далее.Как видно (см,фиг. 4 ж), регулирование скорости пст вращения вала происходит в узком коридоре. Значит за границами коридора существует две области, в которых устройство находится в режиме неисправности, Поэтому в блоке контроля 13 первый сумматор 33 производит сложение текущего прямого двоичного кода И делителя 5 частоты с постоянным двоичным кодом Й 1 шины 14 первого кодирования, а второй сумматор 34 производит сложение текущего обратного двоичного кода Ц с постоянным прямым двоичным кодом И 2 шины 15 второго кодирования. Если КМ 1, то сумматор 33 выдает сигнал переноса - лог. "0". Это означает, что отклонение вращения вала составляет больше допустимого О, то есть о.с.11 Если ЙМ 2, то сумматор 34 выдает сигнал переноса - лог, "О". Это означает, что отклонение вращения вала составляет меньше допустимого 0, то есть 10.с.12. Каждый сигнал переноса сумматоров ЗЗ и 34 инвертируется логическим элементом И-НЕ 35 и на О-вход О-триггера 32 поступает сигнал лог. "1", После этого импульсом Оо,с. триггер 32 устанавливается в единичное состояние,выдавая на выход устройства сигнал лог, "1" - неисправность, используемый для индикации или сигнализации, а также в процессах автоматического регулирования. Сигнал неисправности возникает в начале разгона электродвигателя 1 или при неустойчивой работе (отказов) отдельных элементов. Как только на 0-вход триггера 32 поступит сигнал лог,"0", то импульсом Оо.с. триггер 32снова устанавливается в нулевое состояние, выдавая на выход устройства сигналлог, "0" - исправность,Частота Ь генератора 7 выбирается иэ соображения тога, чтобы одному периоду срабатывания датчика 10 при стабилизации скорости птсоответствовало бы определенное число Йэ импульсов, заполняющих делитель 5 частоты, и - максимальная скорость вращения ротора,Как правило, стабилизация скорости пст электродвигателя 1 осуществляется в задан 1777225 1010 5 20 25 30 35 40 50 55 блока контроля. ных пределах (например,.ф.ЗО 3), Поэтому задаются коды М верхнего и Ин нижнегопределов заполнения делителя 5 частоты(см, фиг, 2), На совпадение кодов й и Мподключены элементы 37 и 38 к соответствующим прямым или инверсным выходамсчетчика 36, Причем Ивон, Таким образом,делитель 5 частоты формирует два частотных предела регулирования Ь и 1 н.П р и м е р 1, йэ=250 и пст= 3 ,Тогда Ив=242 и Кн=258, что соответствует двоичным кодам 011111010 и 100000010,Границы о и ст определяются, исходяиз заданных пределов стабилизации болееили менее допустимых нап ример Ч.5). Отсюда выбираются соответственно двоичныеКОДЫ Й 1 И И 2, ДВОИЧНЫЙ КОД Й 1, ПОСтупаЮщий постоянно на кодовые шины 14, взятобратным для того, чтобы при сложении стекущим кодом числа й делителя 5 частоты,располагаемого в области отсчета меньшедопустимого, происходил бы перенос д,прИ этом Н 1 й. Двоичный код К 2, поступающий постоянно на кодовые шины 15, взятпрямым, так как К 2 йн, чтобы при сложениис кодом числа %, располагаемого в областиотсчета больше допустимого, происходилбы перенос КПример 2, М 1=260, К=261; й 1=260, К 1=250.Ц -100000101 И 1=011111010+Й 1 е 011111011 Я 1=011111011опппопопо и еиии- в перенос, д . ереноса нет,П р им е р 3, Не=240, И 239; Не=240, И=200,Ц -100010000 Й 1=100000101И 2=01 1 1 10000 И 2=01 1 1 1 0000ОООООООООв11111 О 1 О 1перенос, о,-ю переноса нет.Иэ примеров 2 и 3 видно, что при К=250стабилизация скорости вращения вала происходит, неисправности нет.Датчик 10 работает следующим образом см. фиг. 3). П ри вращении диска 40 свет,излучаемый индикатором 41, проникает через прорезь и попадает на фотодиод 43. За 4время действия светоизлучения через фотодиод 43 проходит прямой импульсный ток,По сравнению с прототипом предлагаемое устройство для управления двухфазнымасинхронным электродвигателем обладаетпростотой схемного построения, что приводит к повышению надежности схемы. Введение блока контроля с выводом дляподключения, который позволяет контролировать режим работы, приводит к расширению функциональных возможностей.Исходя из вышеизложенного, заявляемое изобретение обладает положительнымэффектом: повышение надежности и расширение функциональных воэможностей, Положительный эффект чисто технический и непредставляется возможным выразить его вденежной форме,5 Заявляемое изобретение разработано на этапе ОКР и предложено к использованию в изделии "Клавесин". Формула изобретения 1. Устройство для управления двухфазным асинхронным электродвигателем, содержащее диодно-транзисторный ключ переменного тока с узлом гальванической развязки и усиления и фазосдвигающий конденсатор, предназначенные для включения в цепи соответственно обмотки управления и обмотки возбуждения асинхронного электродвигателя, делитель частоты, первый и второй входы которого подключены соответственно с шине разрешения и к выходу генератора, два ВЯ-триггера и датчик частоты вращения с формирователем, Я-входы первого и второго ВЯ-триггеров подключены соответственно к первому и второму выходам делителя частоты, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности и расширения функциональных возможностей, в него введены К-триггер и блок контроля с пятью входами. первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой входыК-триггера соединены соответственно с шиной разрешения, инверсными выходами первого и второго ВЯ-триггеров. первым выходом формирователя, прямыми выходами второго и первого ВЯ-триггеров и третьим выходом делителя частоты, третий вход которого объединен с В-входами обоих ВЯ-триггеров и подключен к второму выходу формирователя, первый выход которого соединен с первым входом блока контроля, второй и третий входы которого соединены с четвертым и пятым выходами делителя частоты, выход 1 К-триггера соединен в входом узла гальванической развязки и усиления, четвертый и пятый входы и выход блока контроля предназначены для соединения соответственно с шинами первого и второгокодирования и шиной неисправности.2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что блок контроля содержит О- триггер. элемент И-НЕ и два сумматора, выходы переноса которых подключены к входам элемента И-НЕ. выход которого подключен к О-входу О-триггера, С-вход О-триггера образует первый вход блока контроля, первые и вторые входы первого и втОрого сумматоров образуют соответственно второй, третий, четвертый и пятый входы блока контроля, выход О-триггера образует выход1777225 у /ф бф рк" г) Составитель В, Каф Техред М,Моргентал Корректор М, Петрова Редакто эказ 4127 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 64 сФ водственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 1