Пристрій керування безконтактним двигуном

Реферат: Пристрій керування безконтактним двигуном містить: безконтактний двигун, комутатор, перший та другий датчики напруги, функціональний перетворювач, компаратор, дві пари польових транзисторів верхнього та нижнього плечей та дві пари пристроїв ввімкнення транзисторів верхнього і нижнього плечей. Реалізація винаходу дозволяє збільшити ККД пристрою, підвищити напругу живлення комутатора та пусковий момент двигуна, а також спростити апаратну частину схеми для визначення сигналу управління частотою обертання. UA 104079 C2 (12) UA 104079 C2 UA 104079 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області електротехніки, зокрема до електроприводів на базі безконтактних двигунів постійного струму, і може бути використаний при побудові схем керування безконтактними двигунами із регулюванням частоти обертання ротора та реверсом за допомогою двох вхідних проводів. Відомий пристрій керування безконтактним двигуном [1, С. 167-169], який містить безконтактний двигун постійного струму та комутатор. Недоліком цього пристрою керування є необхідність використання чотирьох дротів для живлення комутатора та управління частотою та напрямком обертання ротора (двох силових та двох керуючих) у разі побудови реверсивного регульованого безконтактного двигуна з умонтованим у його корпусі комутатором. Відомий також пристрій керування безконтактним двигуном [2], прийнятий за прототип, який містить безконтактний двигун, комутатор, однофазний мостовий випрямляч, перший та другий датчики напруги, блок віднімання, блок визначення модуля, функціональний перетворювач та компаратор. Керування безконтактним двигуном здійснюється за рахунок випрямлення напруги для живлення комутатора за допомогою однофазного мостового випрямляча та формування команд управління частотою та напрямком обертання ротора двигуна на підставі вихідних сигналів двох датчиків напруги. Недоліками прототипу є недостатньо високий коефіцієнт корисної дії пристрою керування через нагрів діодів однофазного мостового випрямляча та відносна складність визначення сигналу управління частотою обертання ротора. Задачею винаходу було збільшення коефіцієнта корисної дії пристрою керування, підвищення напруги живлення комутатора та пускового моменту двигуна, а також спрощення апаратної частини схеми для визначення сигналу управління частотою обертання ротора безконтактного двигуна шляхом введення польових транзисторів із низьким падінням напруги у ввімкненому стані для комутації напруги живлення комутатора. Ця задача вирішується тим, що у пристрій керування безконтактним двигуном, який містить безконтактний двигун, статорна обмотка якого з'єднана із виходом комутатора, перший та другий датчики напруги, перші входи яких з'єднані із входом нижнього рівня живлення комутатора, функціональний перетворювач, вихід якого з'єднаний із третім входом комутатора, другий вхід першого датчика напруги з'єднаний з одним із двох виводів джерела живлення постійного струму, а вихід - з входом компаратора, вихід якого з'єднаний з четвертим входом комутатора, введено перший та другий польові транзистори верхнього плеча, перший та другий польові транзистори (n-типу) нижнього плеча, перший та другий пристрої ввімкнення транзисторів верхнього плеча, перший та другий пристрої ввімкнення транзисторів нижнього плеча, при цьому другий вхід другого датчика напруги з'єднаний з входом верхнього рівня живлення комутатора, а вихід - з входом функціонального перетворювача, витоки (для транзисторів р-типу) або стоки (для транзисторів n-типу) першого та другого польових транзисторів верхнього плеча з'єднано з входом верхнього рівня живлення комутатора, витоки першого та другого польових транзисторів нижнього плеча з'єднано з входом нижнього рівня живлення комутатора, стоки (для транзисторів р-типу) або витоки (для транзисторів n-типу) першого та другого польових транзисторів верхнього плеча з'єднано відповідно зі стоками першого та другого польових транзисторів нижнього плеча, а також відповідно з першим та другим виводами джерела живлення постійного струму, затвори першого та другого польових транзисторів верхнього плеча відповідно з'єднано з виходами першого та другого пристроїв ввімкнення транзисторів верхнього плеча, входи яких відповідно з'єднано з другим та першим виводами джерела живлення постійного струму, затвори першого та другого польових транзисторів нижнього плеча відповідно з'єднано з виходами першого та другого пристроїв ввімкнення транзисторів нижнього плеча, входи яких відповідно з'єднано з другим та першим виводами джерела живлення постійного струму. Досягнення нового позитивного ефекту обумовлено таким. Використання польових транзисторів як силових ключів для комутації напруги джерела живлення постійного струму (полярність якого може бути позитивною чи негативною) та подачі на входи живлення комутатора напруги живлення із необхідної для його роботи полярністю дозволяє забезпечити задовільно низьку величину падіння напруги у каналах двох ввімкнених силових ключів, що у свою чергу визначає збільшення коефіцієнта корисної дії пристрою керування та підвищення напруги живлення комутатора. Можливість використання польових транзисторів як силових ключів для комутації напруги в даному пристрої базується на відомому явищі протікання струму через канал ввімкненого польового транзистора в обох напрямках - від стоку до витоку та навпаки [3, С. 362]. Низька величина падіння напруги на польових транзисторах визначається можливістю застосування транзисторів із відносно невеликою величиною активного опору ввімкнених транзисторів. Такий позитивний ефект особливо важливий для потужних безконтактних двигунів, для яких опір фаз статора сумірний до опорів ввімкнених силових 1 UA 104079 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ключів пристрою керування. Зменшення опору ввімкнених транзисторів в колі джерела живлення також призводить до підвищення жорсткості механічної характеристики та пускового моменту двигуна. Забезпечення низької величини падіння напруги на ввімкнених польових транзисторах, що комутують напругу живлення комутатора, забезпечує відповідність із невеликою розбіжністю величин напруги джерела живлення та напруги, що подається на вхід живлення комутатора. Тому формування сигналу управління частотою обертання на підставі саме напруги живлення комутатора, що виміряється за допомогою другого датчика напруги, дозволяє спростити апаратну частину пристрою для визначення сигналу управління частотою обертання ротора безконтактного двигуна. Таким чином, введення означених нових елементів та ознак сприяє підвищенню коефіцієнта корисної дії пристрою керування, напруги живлення комутатора та пускового моменту двигуна, а також спрощенню апаратної частини схеми пристрою для визначення сигналу управління частотою обертання ротора безконтактного двигуна. Тому на підставі викладеного можна зробити висновок про те, що сукупність істотних ознак, що запропонована у формулі винаходу, необхідна і достатня для досягнення нового технічного результату. На кресленні зображено блок-схему пристрою керування, що пропонується, на якій позначено: 1 - безконтактний двигун; 2 - комутатор; 3, 4 - перший та другий датчики напруги; 5 функціональний перетворювач; 6 - компаратор; 7, 8 - перший та другий польові транзистори верхнього плеча; 9, 10 - перший та другий польові транзистори нижнього плеча; 11, 12 - перший та другий пристрої ввімкнення транзисторів верхнього плеча; 13, 14 - перший та другий пристрої ввімкнення транзисторів нижнього плеча; 15, 16 - перший та другий виводи джерела живлення постійного струму. Пристрій керування працює таким чином. При підключенні схеми до джерела живлення постійного струму у випадку 15 > 16 (де 15, 16 - потенціали першого 15 та другого 16 виводів джерела живлення постійного струму) подаються команди ввімкнення на входи першого пристрою 11 ввімкнення транзисторів верхнього плеча та другого пристрою 14 ввімкнення транзисторів нижнього плеча, на виходах яких відповідно формуються сигнали керування затворами першого польового транзистора 7 верхнього плеча та другого польового транзистора 10 нижнього плеча. При цьому входи верхнього та нижнього рівнів живлення комутатора 2 з'єднуються відповідно з 15 та 16 виводами джерела живлення постійного струму, тобто на входи живлення комутатора 2 подається напруга UK=UЖ-UB-UH з позитивною полярністю, де UЖ - напруга джерела живлення, причому UЖ=|15-16|; UB, UH - падіння напруг в каналах польових транзисторів верхнього та нижнього плечей у ввімкненому стані. На виході першого датчика 3 напруги з'являється сигнал U1=-k1UH, де k1 - постійний коефіцієнт. Відповідно до величини сигналу U 1 на виході компаратора 6 формується дискретний сигнал U 4=0,5UЛ(1+sign(U1)) задання напрямку обертання двигуна, який дорівнює нулю та подається на четвертий вхід комутатора 2, де UЛ - логічний рівень команди управління. На виході другого датчика 4 напруги з'являється сигнал U2=k1UК. Сигнал U2 подається на вхід функціонального перетворювача 5, на виході якого формується сигнал U3 задання частоти обертання відповідно до бажаної функціональної залежності U3=f(U2) [2], що подається на четвертий вхід комутатора 2. У разі підключення схеми до джерела живлення постійного струму при 15 < 16 подаються команди ввімкнення на входи другого пристрою 12 ввімкнення транзисторів верхнього плеча та першого пристрою 13 ввімкнення транзисторів нижнього плеча, на виходах яких відповідно формуються сигнали керування затворами другого польового транзистора 8 верхнього плеча та першого польового транзистора 9 нижнього плеча. При цьому входи верхнього та нижнього рівнів живлення комутатора 2 з'єднуються відповідно з 16 та 15 виводами джерела живлення постійного струму, тобто на входи живлення комутатора 2 подається напруга U К з позитивною полярністю. На виході першого датчика 3 напруги з'являється сигнал U 1=k1(UЖ-UH). Відповідно до величини сигналу U1 на виході компаратора 6 формується дискретний сигнал U4=0,5UЛ(1+sign(U1)) задання напрямку обертання двигуна, який дорівнює логічному рівню напруги та подається на четвертий вхід комутатора 2. Так саме як і в першому випадку полярності напруги джерела живлення, на виході другого датчика 4 напруги з'являється сигнал U2=k1UК, відповідно до величини якого на виході функціонального перетворювача 5 формується сигнал задання U3 частоти обертання, що подається на четвертий вхід комутатора 2. Відповідно до значень сигналів U 3 та U4 на виході комутатора 2 формується керуюча напруга, що подається на вхід безконтактного двигуна 1 та забезпечує його обертання у заданому напрямку та із заданою величиною частоти обертання. 2 UA 104079 C2 5 10 15 20 25 30 35 Таким чином, у новому технічному рішенні шляхом введення у відомий пристрій керування (який містить безконтактний двигун, статорна обмотка якого з'єднана із виходом комутатора, перший та другий датчики напруги, перші входи яких з'єднані із входом нижнього рівня живлення комутатора, функціональний перетворювач, вихід якого з'єднаний із третім входом комутатора, другий вхід першого датчика напруги з'єднаний з одним із двох виводів джерела живлення постійного струму, а вихід - з входом компаратора, вихід якого з'єднаний з четвертим входом комутатора) першого та другого польових транзисторів верхнього плеча, першого та другого польових транзисторів (n-типу) нижнього плеча, першого та другого пристроїв ввімкнення транзисторів верхнього плеча, першого та другого пристроїв ввімкнення транзисторів нижнього плеча, таким чином, що другий вхід другого датчика напруги з'єднаний з входом верхнього рівня живлення комутатора, а вихід - з входом функціонального перетворювача, витоки (для транзисторів р-типу) або стоки (для транзисторів n-типу) першого та другого польових транзисторів верхнього плеча з'єднано з входом верхнього рівня живлення комутатора, витоки першого та другого польових транзисторів нижнього плеча з'єднано з входом нижнього рівня живлення комутатора, стоки (для транзисторів р-типу) або витоки (для транзисторів n-типу) першого та другого польових транзисторів верхнього плеча з'єднано відповідно зі стоками першого та другого польових транзисторів нижнього плеча, а також відповідно з першим та другим виводами джерела живлення постійного струму, затвори першого та другого польових транзисторів верхнього плеча відповідно з'єднано з виходами першого та другого пристроїв ввімкнення транзисторів верхнього плеча, входи яких відповідно з'єднано з другим та першим виводами джерела живлення постійного струму, затвори першого та другого польових транзисторів нижнього плеча відповідно з'єднано з виходами першого та другого пристроїв ввімкнення транзисторів нижнього плеча, входи яких відповідно з'єднано з другим та першим виводами джерела живлення постійного струму, досягається підвищення коефіцієнта корисної дії пристрою керування, напруги живлення комутатора та пускового моменту двигуна, а також спрощення апаратної частини пристрою для визначення сигналу управління частотою обертання ротора безконтактного двигуна за рахунок підключення виводів джерела живлення постійного струму до входів живлення комутатора за допомогою польових транзисторів із задовільно низьким рівнем напруги їх каналів у ввімкненому стані. Джерела інформації: 1. Справочник по электрическим машинам: в 2 т. Т. 2 / Под общ. ред. И.П. Копылова, Б.К. Клокова. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 688 с. 2. Пат. № 98265, Україна, МПК Н02Р 6/00. Спосіб керування безконтактним двигуном / Акинін К.П., Баранніков О.В. - заявл. 21.04.2011; Опубл. 25.04.2012, Бюл. № 6. 3. Силовые полупроводниковые приборы. Пер. с англ. под. ред. В.В. Токарева. Первое издание. Воронеж, 1995. - 662 с. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 50 55 60 Пристрій керування безконтактним двигуном, який містить безконтактний двигун, статорна обмотка якого з'єднана із виходом комутатора, перший та другий датчики напруги, перші входи яких з'єднані із входом нижнього рівня живлення комутатора, функціональний перетворювач, вихід якого з'єднаний із третім входом комутатора, другий вхід першого датчика напруги з'єднаний з одним із двох виводів джерела живлення постійного струму, а вихід - з входом компаратора, вихід якого з'єднаний з четвертим входом комутатора, який відрізняється тим, що в пристрій керування введено перший та другий польові транзистори верхнього плеча, перший та другий польові транзистори (n-типу) нижнього плеча, перший та другий пристрої ввімкнення транзисторів верхнього плеча, перший та другий пристрої ввімкнення транзисторів нижнього плеча, при цьому другий вхід другого датчика напруги з'єднаний з входом верхнього рівня живлення комутатора, а вихід - з входом функціонального перетворювача, витоки (для транзисторів р-типу) або стоки (для транзисторів n-типу) першого та другого польових транзисторів верхнього плеча з'єднано з входом верхнього рівня живлення комутатора, витоки першого та другого польових транзисторів нижнього плеча з'єднано з входом нижнього рівня живлення комутатора, стоки (для транзисторів р-типу) або витоки (для транзисторів n-типу) першого та другого польових транзисторів верхнього плеча з'єднано відповідно зі стоками першого та другого польових транзисторів нижнього плеча, а також відповідно з першим та другим виводами джерела живлення постійного струму, затвори першого та другого польових транзисторів верхнього плеча відповідно з'єднано з виходами першого та другого пристроїв ввімкнення транзисторів верхнього плеча, входи яких відповідно з'єднано з другим та першим виводами джерела живлення постійного струму, затвори першого та другого польових 3 UA 104079 C2 транзисторів нижнього плеча відповідно з'єднано з виходами першого та другого пристроїв ввімкнення транзисторів нижнього плеча, входи яких відповідно з'єднано з другим та першим виводами джерела живлення постійного струму. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4