СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОКА В НАГРУЗКЕ С ПРОТИВОЭДС

СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОКА В НАГРУЗКЕ С ПРОТИВОЭДС


RU (11) 2079204 (13) C1

(51) 6 H02P5/16, H02M7/79 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 20.11.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 94038390/07 
(22) Дата подачи заявки: 1994.10.11 
(45) Опубликовано: 1997.05.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Ключев В.И. Теория электропривода. Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 560. Герман-Галкин С.Г. и др. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями. - Л.: Энергоатомиздат, 1986, с.286. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Справочное руководство. Пер. с нем.- М.: Мир, 1982, с. 512. 
(71) Заявитель(и): Новосибирский государственный технический университет 
(72) Автор(ы): Кромм А.А.; Симаков Г.М. 
(73) Патентообладатель(и): Новосибирский государственный технический университет 

(54) СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОКА В НАГРУЗКЕ С ПРОТИВОЭДС 

Использование: изобретение относится к электротехнике и может быть использовано преимущественно для управления электродвигателями постоянного тока, а также в регулируемых источниках питания с высокими динамическими показателями. Сущность изобретения: предлагаемая система регулирования тока в нагрузке с противо-ЭДС содержит последовательно соединенные источник питания 1, фильтр 2 и автономный инвертор 3, нагрузка собственных нужд 4 подключена к дополнительной обмотке 5 импульсного трансформатора 6, синхронизатор 7 подключен к выходу блока управления синхронизатором и автономным инвертором 8 и первому силовому выводу двунаправленного управляемого силового ключа 9, последовательно соединенные двунаправленный управляемый силовой ключ 10, нагрузка 11 и датчик тока 12, коммутатор 13 подключен к выходу генератора импульсов 14, к выходу которого подключен коммутатор 15,два дополнительных источника питания 16 и 17. система регулирования тока в нагрузке с противо-ЭДС в нагрузку собственных нужд повысить КПД системы в целом. 4 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано преимущественно для управления электродвигателями постоянного тока.

Известна система (1) с возможностью рекуперации энергии в сеть, содержащая источник сетевого направления, последовательно соединенные тиристорный преобразователь, сглаживающий дроссель, электродвигатель постоянного тока.

Однако показания системы с тиристорным преобразователем обладает существенными недостатками:

энергия, выделяемая в тормозных режимах электродвигателя, не используется для собственных нужд системы, а отдается в сеть, что значительно снижает КПД системы (1);

наличие режима прерывистых токов приводит к увеличению потерь в тиристорном преобразователе (8.стр.121);

относительно большие пульсации тока якоря повышают дополнительные потери мощности в якоре электродвигателя; также, данные пульсации приводят к необходимости установки сглаживающего дросселя (8,стр.118);

для обеспечения рекуперации энергии в сеть необходимо использование дополнительного комплекта теристоров (7,стр.83).

Указанные недостатки свойственны всем системам с тиристорными преобразователями и отрицательно сказываются на КПД системы 1.

Кроме того, известна система(2) с импульсным высокочастотным преобразователем, имеющая принципиально более высокий КПД по сравнению с системами с тиристорным преобразователями и устраняющая перечисленные недостатки вышеописанной системы, содержащая источник питания, четыре силовых транзисторных ключа, электродвигатель постоянного тока, причем силовые транзисторные ключи соединены между собой по мостовой схеме, электродвигатель постоянного тока включен в диагональ моста.

Однако в указанной системе невозможно осуществить рекуперацию энергии. Это обусловлено тем, что питание системы производится через неуправляемый выпрямитель. Замыкание тока в тормозных режимах электродвигателя происходит через диоды, включенные параллельно каждому силовому транзисторному ключу в обратном направлении(2,стр.36).

Таким образом, отсутствие рекуперации энергии в указанной системе значительно снижает ее КПД, который не может быть выше 71%

Кроме того, известен первичный импульсный стабилизатор напряжения (3, стр. 274), являющийся по сути системой регулирования тока в нагрузке. Указанное устройство является прототипом данного изобретения и содержит источник питания, последовательно соединенные фильтр, автономный инвертор, импульсный трансформатор, два диода, выходной фильтр, устройство управления, задающий генератор, выходы которого соединены с управляющими входами автономного инвертора через цепи гальванического разделения потенциалов.

Однако, в указанном стабилизаторе напряжения, невозможно осуществить рекуперацию энергии в нагрузку. Таким образом, указанный стабилизатор напряжения имеет низкий КПД.

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что в нагрузке с противо-ЭДС с более высоким КПД за счет рекуперации энергии в нагрузку собственных нужд.

Это достигается тем, что система регулирования тока в нагрузке с противо-ЭДС, содержащая последовательно соединенные источник питания, генератор импульсов, фильтр, автономный инвертор, импульсный трансформатор, снабжена двумя дополнительными источниками питания, двумя двунаправленными управляемыми силовыми ключами, двумя коммутаторами, блоком управления синхронизатором и автономным инвертором, синхронизатором, датчиком тока, включенным в цепь нагрузки, импульсным трансформатором, выполненным с дополнительной обмоткой, замкнутой на нагрузку собственных нужд, причем, силовые вывода двунаправленных управляемых силовых ключей соединены с выходной обмоткой импульсного трансформатора, вторые силовые выводы соединены с управляющими выводами двунаправленных управляемых силовых ключей, первые входы коммутаторов соединены с управляющими обмотками импульсного трансформатора, вторые входы соединены с положительным и отрицательным источникоами питания, третьи входы соединены с выходами генератора соединен с управляющими входами коммутаторов, первый вход синхронизатора соединен с первым силовым выводом двунаправленного управляемого силового ключа, второй вход соединен с выходом блока управления синхронизатором и автономным инвертором и управляющим входом автономного инвертора, вход блока управления синхронизатором и автономным инвертором соединен с выходом датчика тока.

В указанном решении все признаки отличительной части формулы изобретения проявляют в процессе взаимодействия присущие им известные свойства, дающие каждый в отдельности известный положительный эффект. При этом обеспечивается сверхсуммарный технический эффект, обусловленный совокупностью указанных признаков, заключающихся в том, что система регулирования тока обеспечивает рекуперацию энергии в нагрузку собственных нужд при протекании тока от действия противо-ЭДС этим достигается повышение КПД системы регулирования.

На фиг. 1 приведена функциональная схема системы регулирования тока в нагрузке с противо-ЭДС; на фиг.2-схема синхронизатора; на фиг.3-схема блока управления синхронизатором и автономным инвертором; на фиг.4-эпюры, поясняющие работу системы регулирования тока в нагрузке с противо-ЭДС.

Устройство (фиг.1) содержит источник питания (ИП) 1, последовательно соединенные фильтр (Ф) 2 и автономный инвертор (АИ) 3, нагрузка собственных нужд (НСН) 4 подключена к дополнительной обмотке (ДО) 5, импульсного трансформатора (ИТ) 6, синхронизатор (С) 7 подключен к выходу блока управления синхронизатором и автономным инвертором (БУСИ) 8 и первому силовому выводу двунаправленного управляемого силового ключа (СК) 9, последовательно соединенные двунаправленный управляемый силовой ключ 10, нагрузка (Н) 11 и датчик тока (ДТ) 12, коммутатор (К) 13 подключен к выходу генератора импульсов(ГИ) 14, к выходу которого подключен коммутатор (К) 15, два дополнительных источника питания (ИП) 16 и 17, причем первые силовые выводы двунаправленных управляемых силовых ключей 9 и 10 соединены с выходной обмоткой импульсного трансформатора 6, вторые силовые выводы соединены с нагрузкой 11, выходы коммутаторов 13 и 15 соединены с управляющими выводами двунаправленных силовых ключей 9 и 10, первые входы коммутаторов 13 и 15 соединены с управляющими обмотками импульсного трансформатора 6, вторые входы соединены с положительным и отрицательным источником питания. Третьи входы соединены с выходами генератора импульсов 14, выход синхронизатора 7 соединен с управляющими входами коммутаторов 13 и 15, первый вход синхронизатора 7 соединен с первым силовым выводом двунаправленного управляемого силового ключа 9, второй вход соединен с выходом блока управления синхронизатором и автономным инвертором 8 и управляющим входом автономного инвертора 3, вход блока управления синхронизатором и автономным инвертором 8 соединен с выходом датчика тока 12.

Источник питания 1 с фильтром 2 могут быть выполнены согласно (3, стр. 254) на диодах Д247Б и конденсаторе К50-29.

Автономный инвертор 3 предназначен для формирования импульсов биполярной последовательности, запитывающих первичную обмотку импульсного трансформатора. Автономный инвертор 3 может быть выполнен согласно (4, стр. 251).

В качестве нагрузки собственных нужд 4 могут быть использованы обыкновенные активные сопротивление и емкость. Дополнительная обмотка 5 предназначена для отвода энергии в нагрузку собственных нужд 4 в процессе рекуперации.

Импульсный трансформатор 6 с дополнительной обмоткой 5 может быть изготовлен с ферритовым сердечником (например, на кольцевом сердечнике М2000НМЗ).

Синхронизатор 7 предназначен для формирования управляющих сигналов на коммутаторы 13 и 15,синхронизатор 7 (фиг.2) содержит: компаратор 16,последовательно соединенные элемент 17 "И", элемент 18"ИЛИ", элемент 19"И-НЕ", элемент 20 "ИЛИ-НЕ", первый вход которого соединен с выходом элемента 19"И-НЕ" элемент 21"И-НЕ" первый вход которого соединен с выходом элемента 18"ИЛИ", элемент 22"ИЛИ-НЕ", второй вход которого соединен с выходом элемента 21"И-НЕ", элемент 23"И", причем на первый вход на первый вход компаратора 16 подается сигнал с первого силового вывода двунаправленного управляемого силового ключа 9, на вторые входы элементов 17"И", 18"ИЛИ", 19"И-НЕ", 20"ИЛИ-НЕ", 21"И-НЕ", первый вход элемента 22"ИЛИ-НЕ", первый и второй входы элемента 23 "И" подается код сигнала управления с выхода блока управления синхронизатором и автономным инвертором 8, выходы элемента 19 "И-НЕ", элемента 20"ИЛИ-НЕ" и элемента 23 "И" образуют код сигнала управления управляющим входом коммутатора 13, выходы элемента 21"И-НЕ", элемента 22 "ИЛИ-НЕ" и элемента 23 "И" образуют код сигнала управления входом коммутатора 15.

Компаратор 16 служит для преобразования аналогового сигнала с первого силового вывода двунаправленного силового ключа 9 в цифровой сигнал управления первым входом элемента 17 "И". В качестве компаратора может быть использована, например, микросхема К554САЗ (6,стр.265).

Элементы 17 "И", 18 "ИЛИ", N 19 "И-НЕ", 21"И-НЕ", 22"ИЛИ-НЕ",23"И" предназначены для выполнения соответствующих логических функций "И", "ИЛИ", "И-НЕ". В качестве элементов 17"И", 23"И" может быть использована, например, микросхема К555ЛИ1, в качестве элемента 18"ИЛИ" микросхема К555ЛЛI, в качестве элементов 19 "И-НЕ", 21"И-НЕ" микросхема К555ЛА3,в качестве элементов 20 "ИЛИ-НЕ", 22"ИЛИ-НЕ" микросхема К555ЛЕ1 (6,стр.77-78).

Блок управления синхронизатором и автономным инвертором 8 предназначен для формирования кода сигнала управления вторым входом синхронизатора 7 и сигнала управления управляющим входом автономного инвертора 3. Блок управления синхронизатором и автономным инвертором 8 (фиг.3)содержит: компаратор 24, триггер Шмитта 25, на вход которого подается сигнал на измерение полярности тока через нагрузку с противо-ЭДС 11, инвертирующий вход компаратора 24 соединен с выходом датчика тока 12, выход триггера Шмитта 25 формирует сигнал управления управляющим входом автономного инвертора 3, а выход компаратора 24 и выход триггера Шмитта 25 формирует код сигнала управления вторым входом синхронизатора 7.

Компаратор 24 предназначен для преобразования аналогового сигнала с выхода датчика тока 12 в цифровой сигнал и инвертирования этого сигнала. В качестве компаратора может быть использована, например, микросхема К554СА3 (6, стр.269).

Триггер Шмитта 25 предназначен для согласования цепи управления (Uупр) с уровнем логических входов цифровых микросхем синхронизатора 7. В качестве триггера Шмитта может быть использована, например, микросхема К531ТЛ3 (6, стр.81).

Двунаправленные управляемые силовые ключи 9 и 10 предназначены для обеспечения протекания тока через нагрузку с противо-ЭДС 11 в прямом и обратном направлении. Двунаправленные управляемые силовые ключи могут быть представлены, например, полевыми транзисторами КП913А (3,стр.56,рис.51д).

В качестве нагрузки с противо-ЭДС-11 может быть использован общеизвестный стандартный двигатель типа ЭДР-145.

Датчик тока 12 предназначен для получения информации о моменте перехода через ноль тока в цепи нагрузки с противо-ЭДС 11. Датчик тока может быть в виде стандартного шунта Ш-30-0,075 (1,стр.349).

Коммутаторы 13 и 15 предназначены для поочередной коммутации управляющих выводов двунаправленных управляемых силовых ключей 9 и 10 с управляющими обмотками импульсного трансформатора 6, положительным и отрицательным источником питания, выходами генератора импульсов 14. В качестве коммутаторов может быть использована, например микросхема КР590КН2 [6,стр.270]

Генератор импульсов 14 предназначен для генерирования прямоугольных импульсов биполярной импульсной последовательности и может быть выполнен согласно [3, стр. 312]

Дополнительные источники питания 16 и 17 предназначены для задания необходимых напряжений на вторые входы коммутаторов 13 и 15 для правильного алгоритма работы. В качестве дополнительных источников питания 16 и 17 могут быть использованы стандартные источники питания, например, типа БП5-47А, ТЭС-14, ТЭС-17.

Устройство работает следующим образом. В выпрямительном режиме автономный инвертор 3 формирует импульсы биполярной импульсной последовательности (фиг. 4а, t1) через нагрузку с противо-ЭДС 11 протекает квазиустановившийся ток (фиг.4в,t1) следующим образом: при положительном импульсе автономного инвертора 3 на первом силовом выводе двунаправленного управляемого силового ключа 9 через выходную обмотку импульсного трансформатора 6 наводится положительный потенциал, на управляющем выводе силового ключа 9 через первый выход коммутатора 13 наводится положительный потенциал относительно первого силового вывода указанного ключа 9 с помощью управляющей обмотки импульсного трансформатора 6. Силовой ключ 9 открывается. Одновременно выходная и управляющая обмотки импульсного трансформатора 6 наводят отрицательные потенциалы на первом силовом и управляющем выводах двунаправленного управляемого силового ключа 10 таким образом, что указанный ключ оказывается в закрытом состоянии. Ток протекает по цепи: выходная обмотка импульсного трансформатора 6, двунаправленный управляющий силовой ключ 9, нагрузка с противо-ЭДС 11, датчик тока 12, корпус.

При отрицательном импульсе автономного инвертора 3 в выходных и управляющих обмотках импульсного трансформатора 6 наводятся противоположные по знаку потенциалы таким образом, что двунаправленный управляемый силовой ключ 9 закрывается, а двунаправленный управляемый силовой ключ 10 оказывается в открытом состоянии. Тогда ток протекает следующим образом: выходная обмотка импульсного трансформатора 6, двунаправленный управляемый силовой ключ 10, нагрузка с противо-ЭДС 11, датчик тока 12, корпус.

Таким образом обеспечивается протекание непрерывного тока через нагрузку с противо-ЭДС 11. В инверторном режиме происходит спадание тока нагрузки 11 до нуля и протекание его в обратном направлении от действия противо-ЭДС нагрузки 11.

С приходом сигнала на изменение полярности тока через нагрузку 11 блок управления синхронизатором и автономным инвертором 8 формирует сигнал на отключение автономного инвертора 3 и код сигнала управления на синхронизатор 7. Если при этом протекает ток в цепи силового ключа 9, синхронизатор 7 формирует код сигнала управления на управляющие входы коммутаторов 13 и 15, в результате чего управляющий вывод силового ключа 9 отключается первым выходом коммутатора 13 от управляющей обмотки импульсного трансформатора 6 и подключается вторым выходом коммутатора 13 к положительному источнику питания. Аналогичным образом управляющий вывод силового ключа 10 переключается коммутатором 15 на отрицательный источник питания.

Таким образом, силовой ключ 9 находится в открытом состоянии, а силовой ключ 10 закрыт. Ток спадает до нуля по цепи: нагрузка с противо-ЭДС 11, датчик тока 12, корпус, выходная обмотка импульсного трансформатора 6, силовой ключ 9.

При переходе тока нагрузки 11 через ноль (фиг.4в,t2) датчик тока 12 выдает сигнал в блок управления синхронизатором и автономным инвертором 8, который воздействует на синхронизатор 7, который формирует код сигнала управления на управляющие входы коммутаторов 13 и 15. Управляющий вывод двунаправленного управляемого силового ключа 9 отключается вторым выходом коммутатора 13 от положительного источника питания и подключается третьим выходом коммутатора 13 к прямому выходу генератора импульсов 14. Аналогичным образом управляющий вывод силового ключа 10 переключается коммутатором 15 с отрицательного источника питания на инверсный выход генератора импульсов 14.

Генератор импульсов 14 формирует импульсы биполярной импульсной последовательности. При положительном импульсе сигнала генератора 14 к управляющему выводу силового ключа 9 прикладывается положительный потенциал, а к управляющему выводу силового ключа 10 отрицательный, в результате чего силовой ключ 9 оказывается в открытом состоянии, а силовой ключ 10 закрыт.

Таким образом обеспечивается контур протекания тока, создаваемого противо-ЭДС нагрузки 11, через силовой ключ 9 и выходную обмотку импульсного трансформатора 6; в дополнительной обмотке 5 наводится ЭДС, которая может быть использована для собственных нужд.

При отрицательном импульсе генератора импульсов 14 состояние силовых ключей 9 и 10 меняется на противоположные, создается контур протекания тока нагрузки 11 через силовой ключ 10 и выходную обмотку импульсного трансформатора 6. В дополнительной обмотке 5 продолжает наводится ЭДС.

Таким образом, пока существует ток от противо-ЭДС нагрузки 11, используется полезная энергия, снимаемая с дополнительной обмотки 5 импульсного трансформатора 6 и повышается КПД системы в целом.

С приходом сигнала на изменение полярности тока через нагрузку 11 синхронизатор 7 формирует код сигнала управления на управляющие входы коммутаторов 13 и 15, происходит переключение управляющих выводов силовых ключей 9 и 10 с выходов генератора импульсов 14 на управляющие обмотки импульсного трансформатора 6. Автономный инвертор 3 начинает формировать импульсы и система регулирования тока переходит в исходное состояние, т.е. выпрямительный режим. Ток через нагрузку 11 уменьшается до нуля, затем изменяет свой знак и нарастает до наступления квазиустановившегося режима (фиг.4в, t4).

Таким образом, в предполагаемом режиме КПД системы регулирования тока в нагрузке в противо-ЭДС значительно выше по сравнению с прототипом 3 и может достигать 80% Повышение КПД системы осуществляется за счет двух составляющих. Первое: увеличение КПД примерно на 5 7% вследствие рекуперации энергии в нагрузку собственных нужд (на примере "Двухпозиционная релейная система регулирования тока для транзисторных электроприборов" Н.В.Донской, В.А. Матисон. Тезисы докладов на X Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам автоматизированного электропривода. Воронеж, 1987 г.). Второе: уменьшение мощности потерь на переключение двунаправленных ключей на 3 5% в случае применения полевых транзисторов (МОП-структуры с обогащенным каналом) типа КТ 912А(913А). 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Система регулирования тока в нагрузке с противоЭДС, содержащая генератор импульсов, последовательно соединенные источник питания, фильтр, автономный инвертор, первичную обмотку импульсного трансформатора, отличающаяся тем, что в нее введены два дополнительных источника питания, два двунаправленных управляемых силовых ключа, два коммутатора, блок управления синхронизатором и автономным инвертором, синхронизатор, датчик тока, включенный в цепь нагрузки, а импульсный трансформатор выполнен с дополнительной обмоткой, подключенной к нагрузке собственных нужд, причем первые силовые выводы двунаправленных управляемых силовых ключей соединены с выходной обмоткой импульсного трансформатора, вторые силовые выводы соединены с нагрузкой, выходы коммутаторов соединены с управляющими выводами двунаправленных управляемых силовых ключей, первые входы коммутаторов соединены с управляющими обмотками импульсного трансформатора, вторые входы соединены с дополнительными источниками питания, третьи входы соединены с выходами генератора импульсов, выход синхронизатора соединен с управляющими входами коммутаторов, первый вход синхронизатора соединен с первым выводом двунаправленного управляемого силового ключа, второй вход соединен с выходом блока управления синхронизатором и автономным инвертором и управляющим входом автономного инвертора, вход блока управления синхронизатором и автономным инвертором соединен с выходом датчика тока.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru