CZ301304B6

CZ301304B6 - Zpusob pulzního rízení otácek ventilátoru s asynchronním motorem

Info

Publication number: CZ301304B6
Application number: CZ20011023A
Authority: CZ
Inventors: Pleva@Tomáš; Hodan@Ivan
Original assignee: Bmt Medical Technology S.R.O.
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2010-01-06
Also published as: CZ20011023A3

Abstract

Zapojení pro rízení otácek asynchronního motoru obsahující detektor (1) pruchodu napetí nulou s tvarovacem, jehož výstup je spojen s prvním vstupem programovatelného cítace (2), jehož výstup je pripojen na vstup delice (4) dvema, jenž má výstup pripojen na zpoždovací clen (5), jehož výstup je priveden na ovládací vstup spínace (6), který má na sítový vstup priveden zdroj napájení a silový výstup má pripojen k napájecímu vinutí motoru (7), pricemž k druhému vstupu programovatelného cítace (2) je svým výstupem pripojen generátor (3) poctu propuštených a zadržených vln sinusového napájení, do jehož prvního vstupu je pripojena požadovaná hodnota otácek a druhý vstup má pripojen k výstupu delice (4) dvema.

Description

Zapojení puízního řízení otáček ventilátoru s asynchronním motorem

Oblast techniky

Vynález se týká zapojení puízního řízení otáček ventilátoru s asynchronním motorem.

Dosavadní stav techniky

Pro řízení otáček asynchronních motorů se standardně využívají kmitočtové měniče, které mění kmitočet sítě pro napájení motoru v závislosti na požadovaných otáčkách motoru. Otáčky asynchronních strojů napájených z měničů kmitočtu se řídí změnami kmitočtu napájecího statorového io napětí. Kmitočtové měniče jsou drahá zařízení. Zapojení regulace otáček obsahují vesměs regulační smyčky jeho napájecích proudů. U složitějších zapojení regulace otáček se jejích regulace provádí buď přímo regulací fázových proudů, nebo regulací dvou složek tzv. prostorového vektoru proudů vyjádřených v souřadném systému orientovaném magnetickým tokem asynchronního stroje.

U jednodušších zapojení regulace otáček motoru se řídí jen velikost napájecího statorového proudu, Velikost tohoto proudu je nutné stanovit na základě proudů měřitelných v napájecích přívodech stroje. Nevýhodou takovýchto zapojení je složitost zapojení příslušného vyhodnocovacího členu.

U kmitočtového řízení, např. asynchronního stroje napájeného měničem kmitočtu, je udržován určitý vztah mezí velikostí rotorového kmitočtu a statorového proudu asynchronního stroje. Tento vztah závisí na zvoleném kriteriu. Je-li tímto kriteriem vždy dosažení maximálního kroutícího momentu při každé velikosti statorového proudu, je toto realizováno pomocí nelineárního členu, který je součástí zapojení. Nevýhodou známých zapojení kmitočtové proudového řízení je, že nelineární vztah mezi rotorovým kmitočtem a statorovým proudem je závislý na parametrech motoru, zejména na velikosti jeho rotorového odporu. Přitom velikost rotorového odporu je uvlivňována změnami teploty, ke kterým dochází při proměnném zatěžování motoru. Nevýhodou takovéto regulace je, že stroj pracuje v optimálním režimu (tj. dosažení energetických úspor) jen při takové teplotě, pro kterou byl navržen tvar charakteristiky nelineárního členu.

Jistou nevýhodou je i to, že při napájení asynchronních strojů z měničů kmitočtu jsou navíc napájecí proudy nesinusové. Vzhledem k tomu, že střední hodnota vyvíjeného momentu motoru je vytvářena především základní harmonickou proudu, jeví se výhodným regulovat velikost této harmonické. To však znamená, že z měřených napájecích proudů musí být vyšší harmonické odfiltrovány. Na druhé straně jsou filtrací vyšších harmonických nepříznivě ovlivňovány dynamické vlastnosti regulace proudu a tím i celého stroje. Výše popisovaná řešení jsou však nákladná a obyčejně neúměrně prodražují dané zařízení.

Další možnost, která se v praxi občas využívá pro některé jednoduché aplikace, je regulace otáček motoru změnou úhlu otevření výkonového spínacího prvku, čímž se do motoru pouští jen část každé vlny sinusového průběhu napájecího napětí. Toto řešení sice umožňuje do jisté míry otáčky motoru regulovat, ale je to řešení nekorektní a nevyhovující z hlediska EMC (ČSN EN 61000-3-2), protože vzniká harmonické rušení (motor neodebírá z napájecí sítě sinusový proud), které je nutné odstraňovat pomocí drahých filtrů.

V poslední řadě uvádíme patenty, ve kterých jsou popisovány polohovací mechanismy využívající elektrický pohon. Patent US 6 025 663 se zabývá polohovacím mechanismem, kde sledovanou veličinou není rychlost otáčení, ale úhel natočení motoru, přičemž nezáleží na rychlosti, s jakou je požadovaného úhlu dosaženo. Jádrem patentuje samobrzdicí efekt, který brání pohybu mechanismu vlivem nežádoucích sil. Nezáleží na způsobu napájení elektrického motoru, není třeba sledovat průběh napájecího proudu. Další z patentů patent US 4 535 261 popisuje samočinné spojování hřídele elektromotoru s integrovanou převodovkou. Elektromechanickými prostředky se dosahuje toho, že při přivedení proudu do motoru je kroutící moment motoru přiveden na

- 1 CZ 301304 B6 převodovku a při odpojení proudu od vinutí motoru je převodovka od motoru mechanicky oddělena, čímž nedochází k přenosu kroutícího momentu. Nezáleží na rychlosti otáčení motoru. Nezáleží na způsobu napájení elektrického motoru, není třeba sledovat průběh napájecího proudu. Patent 1 190 759 se zabývá polohovacím mechanismem, kde sledovanou veličinou není rychlost otáčení, ale úhel natočení motoru, přičemž nezáleží na rychlosti, s jakou je požadovaného úhlu dosaženo. Jádrem patentuje mechanismus, který v případě výpadku napájení elektromotoru zaručí bezpečný stav zařízení.

Nezáleží na způsobu napájení elektrického motoru, není třeba sledovat průběh napájecího io proudu.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje zapojení pulzního řízení otáček ventilátoru s asynchronním motorem, jehož podstata spočívá v tom, že spínač je svým síťovým vstupem připojen na síť střídavého napětí, svým silovým výstupem spojen s napájecím vinutím motoru a svým ovládacím vstupem spojen s výstupem zpožďovacího členu. Síťové střídavé napětí je přivedeno též na vstup detektoru průchodu napětí nulou s tvarovačem, jehož výstup vede na první vstup programovatelného čítače, jehož výstup vede na vstup děliče dvěma, jehož výstup vede na vstup zpožďovacího členu, přičemž programovatelný čítač je programován pomocí generátoru počtu propuště20 ných a zadržených vln sinusového napájení, jehož dvěma vstupy jsou jednak požadované otáčky a jednak výstup z děliče dvěma a třetím vstupem může být zpětnovazební informace o okamžitých otáčkách motoru ze snímače otáček na hřídeli motoru.

Výhodné je, že se jedná o pulzní řízení otáček asynchronního motoru, jehož podstata spočívá vtom, že se provádí střídavým propouštěním určitého počtu celých vln síťového sinusového proudu do vinutí motoru při průchodu proudu nulou a zadržením určitého počtu celých vln síťového sinusového proudu. Přesný počet propuštěných a zadržených vln se stanovuje na základě požadovaných otáček motoru. Počty vln se mohou korigovat pomocí zpětné vazby ze snímače otáček motoru na základě odchylky aktuálních otáček od požadovaných, nebo jsou pevně stanoveny k požadovaným otáčkám motoru.

Výhodou tohoto zapojení s generátorem počtu propuštěných a zadržených vln sinusového napájení majícího ve zpětné vazbě informace o okamžitých otáčkách motoru ze snímače otáček je větší přesnost regulace, výhodou řešení bez zpětné vazby je jeho jednoduchost.

Další výhodná varianta zapojení pro řízení otáček asynchronního motoru spočívá v tom, že řízení otáček lze realizovat softwarově pomocí mikroprocesorové automatiky. Zapojení v takovémto případě obsahuje detektor průchodu napětí nulou s tvarovačem, jehož výstup je spojen s prvním vstupem mikroprocesorové automatiky. Ke druhému vstupu této automatiky je připojena požado40 váná hodnota otáček. Výstup automatiky je přiveden na ovládací vstup snímače, který má na síťový vstup přiveden zdroj napájení a silový výstup má připojen k napájecímu vinutí motoru. Otáčky motoru jsou snímány snímačem otáček, který je zapojen ve větvi zpětné vazby. Výstup snímače otáček je připojen k třetímu vstupu mikroprocesorové automatiky. Toto zapojení lze také s výhodou realizovat bez větve zpětné vazby,

Výhodou těchto dvou variant zapojení je vynechání mnoha hardwarových komponent. Tímto opatřením se přenese těžiště regulace asynchronního motoru do softwaru. Řízení otáček asynchronního motoru pomocí mikroprocesorové automatiky umožňuje softwarově modelovat různé provozní podmínky, pro které není třeba vytvářet nová hardwarová zapojení.

Jako výhodné se jeví použití výše uvedeného zapojení pro řízení otáček ventilátoru s asynchronním motorem, které spočívá v tom, že z napájecí sítě jsou odebírány celé vlny sinusového proudu, odebíraný proud má sinusový charakter, a proto nevzniká harmonické rušení. Není třeba _ ?.

používat drahých filtrů. Při tomto způsobu se jedná o pulzní řízení asynchronního motoru se zpětnou vazbou. Řízení též nevyžaduje kmitočtové měniče.

Regulace otáček ventilátoru poháněného asynchronním motorem podle vynálezu je založena na zjištění, že ventilátorem projde za jednotku času definované množství vzduchu nebo jiného média. Toto množství závisí na mechanickém provedení vrtule ventilátoru a na otáčkách motoru, který touto vrtulí otáčí. Podstatné je, kolik daného média projde za jednotku času, a nikoli přesná stabilita otáček. Vychází se přitom z poznatku, že po připojeni k napájecí síti dosáhne motor s ventilátorem maximálních otáček N_max za dobu T, která je mnohonásobně delší než perioda io síťového napětí. Bude-li motor buzen v pravidelných intervalech trvajících po dobu T_t<T střídavě s prodlevami bez buzení, trvajícími po dobu T₂<T, ustálí se jeho otáčky na hodnotě n<N_max. Při tomto způsobu řízení otáček asynchronního motoru se využívá momentu setrvačnosti rotačních hmot.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže osvětlen pomocí obrázků, kde obr. I znázorňuje vlny proudu pro napájení motoru za určitý časový úsek, obr. 2 znázorňuje schéma blokového zapojení pulzního řízení otáček ventilátoru s asynchronním motorem, obr. 3 znázorňuje zjednodušené zapojení pro pulzní řízení otáček ventilátoru s asynchronním motorem s vynecháním zpětné vazby a snímače otáček, obr, 4 znázorňuje schéma blokového zapojení pro pulzního řízení otáček ventilátoru s asynchronním motorem, kde mikroprocesorová automatika přebírá část funkcí zapojení dle obr. 2, obr. 5 znázorňuje zjednodušené zapojení pro pulzního řízení otáček ventilátoru s asynchronním motorem s vynecháním zpětné vazby a snímače otáček, kde mikroprocesorová automatika přebírá část funkcí, zapojení dle obr. 3.

Příklady provedení vynálezu

Pulzní řízení otáček ventilátoru s asynchronním motorem spočívá v tom, že se do napájecího vinutí motoru ventilátoru pouští definovaný počet celých vln proudu po dobu t_t a následně se definovaný počet celých vln proudu vynechá po dobu t₂. Tento děj se periodicky opakuje s periodou T_p, která je dána vztahem

T_p-t,+t₂ (A).

Po dobu t₂, kdy není motor ventilátoru buzen, se využívá momentu setrvačnosti rotoru ventilátoru včetně vrtule. Kritériem pro stanovení velikosti časů ti a t₂ je požadovaná rychlost otáčení ventilátoru a plynulost jeho chodu. Součet časů ti a t₂, ani jejich poměr není konstantní.

Pulzní řízení otáček ventilátoru s asynchronním motorem bude vysvětleno pomocí jednoho z výhodných provedení zapojení pulzního řízení otáček ventilátoru s asynchronním motorem, znázorněného na obr. 2. Provedení zapojení obsahuje detektor J. průchodu napětí nulou s tvarovačem, jehož výstup je spojen s prvním vstupem programovatelného čítače 2. Výstup programovatelného čítače 2 je připojen na vstup děliče 4 dvěma, jehož výstup je připojen na vstup zpožďovacího členu 5. Výstup zpožďovacího členu 5 je připojen jako ovládací signál k ovládacímu vstupu spínače 6, který je připojen k přívodu napájení a k napájecímu vinutí motoru 245 K motoru 7 je připojen snímač 8 otáček, jehož výstup tvoří zpětnou vazbu k třetímu vstupu generátoru 3 počtu propuštěných a zadržených vln sinusového napájení. Přitom prvním vstupem generátoru 3 počtu propuštěných a zadržených vln sinusového napájení je hodnota požadovaných otáček, ke druhému vstupu generátoru 3 počtu propuštěných a zadržených vln sinusového napájení je připojen výstup děliče 4 dvěma. Výstup generátoru 3 počtu propuštěných a zadrže50 ných vln sinusového napájení je přiveden na druhý vstup programovatelného čítače 2.

Funkce zapojení pro pulzní řízení otáček ventilátoru s asynchronním motorem je následující. Síťové napětí sinusového průběhu je přiváděno do detektoru 1 průchodu napětí nulou s tvaro-3CZ 301304 B6 vačem. Z detektoru i průchodu napětí nulou s tvarovačem vychází obdélníkový signál s logickými napěťovými úrovněmi, dovolující snadné zpracování, nejde o zdroj energie, pouze o signál nesoucí informaci o velikosti vln síťového napětí v čase. Obdélníkový signál je takový, že jeho vzestupná hrana časově odpovídá okamžiku začátku kladné půlvlny sinusového síťového napětí a jeho sestupná hrana odpovídá okamžiku začátku záporné půlvlny sinusového síťového napětí. K detektoru i průchodu napětí nulou s tvarovačem je připojen první vstup programovatelného čítače 2. Programovatelný čítač 2 je zařízení, které počítá impulzy, přesněji řečeno jejich nástupné hrany, přicházející na jeho první vstup, a v okamžiku, kdy počet příchozích impulzů dosáhne předem naprogramovaného počtu, se na výstupu programovatelného čítače 2 objeví změna logici o ké úrovně, např. z „low“ do „high“. Říkáme, že programovatelný čítač 2 přetekl. Změněná logická úroveň na výstupu programovatelného čítače 2 se vrátí do původního stavu nulováním, programovatelný čítač 2 začíná čítat znovu od začátku, s jinou naprogramovanou hodnotou, při které opět přeteče. Programovatelný čítač 2 je programován a nulován z generátoru 3 počtu propuštěných a zadržených vln sinusového napájení. Na obr. 1 je počet propuštěných vln sinusového i5 napájení označen jako pi a počet zadržených vln sinusového napájení jako p₂. Hodnoty pi a p₂odpovídají časům ti a t₂ ve vztahu (A). Jejich konkrétní hodnoty byly získány empiricky pomocí měření. Vstupní veličinou generátoru 3 počtu propuštěných a zadržených vln sinusového napájení jsou také požadované otáčky, které jsou zadány obsluhou zařízení. Generátor 3 počtu propuštěných a zadržených vln sinusového napájení musí být schopen generovat takové množství dvojic hodnot pi a p₂, které odpovídá množství stupňů, pomocí nichž je možno zadat celý rozsah požadovaných otáček motoru 7. Konkrétní aktuální dvojice hodnot počtu vln pi a p₂ je nastavována pomocí zpětné vazby ze snímače 8 otáček. Je-li třeba otáčky zvýšit, generátor 3 vybere některou dvojici pj a p₂ s vyšším účinkem na otáčky motoru 7, je-li třeba otáčky snížit, vybere generátor 3 dvojici s účinkem nižším. Výstup z programovatelného čítače 2 je přiveden na dělič 4 dvěma. Na výstupu děliče 4 dvěma je logická hodnota „low“ v případě příchodu lichého impulzu na vstup nebo logická hodnota „high“ v případě příchodu sudého impulzu na vstup. Tedy každé druhé přetečení programovatelného čítače 2 má za následek stav „high“ na výstupu děliče 4 dvěma a každé první přetečení stav „low“, Na výstupu děliče 4 dvěma je již informace o tom, zda právě uplynul čas daný hodnotou p_t nebo hodnotou p₂. Je tomu tak proto, že výstup děliče 4 dvěma současně ovlivňuje generátor 3 počtu propuštěných a zadržených vln sinusového napájení tím způsobem, že při přechodu ze stavu „low“ do stavu „high“ je z generátoru 3 počtu propuštěných a zadržených vln sinusového napájení jako programovací hodnota programovatelného čítače 2 odeslána hodnota p_h naopak při přechodu ze stavu „high“ do „low“ je z generátoru 3 počtu propuštěných a zadržených vln sinusového napájení jako programovací hodnota progra35 movatelného čítače 2 odeslána hodnota p₂. Současně je při každé této změně nulován výstup programovatelného Čítače 2. Dělič 4 dvěma má stručně řečeno za úkol detekovat konce p, a začátky p₂, respektive konce p₂ a začátky p_t, a tím zajistit střídání časů odpovídajících počtům vln p] a p₂. Z výstupu děliče 4 dvěma vstupuje obdélníkový signál do zpožďovacího členu 5, jehož úkolem je vyrobení časového zpoždění, které podle druhu použitého motoru 7 způsobí, že připojený motor 7 nezačne být buzen v okamžiku nulového napětí, ale až nulového proudu. To je dáno fázovým posunem mezi napětím a proudem na induktivních zátěžích. Tím je zajištěno, že motor 7 není zdrojem harmonického rušení. Výstup zpožďovacího členu 5 je přiveden na ovládací vstup spínače 6, jenž do napájecího vinutí řízeného motoru 7 přivádí napájecí proud v rytmu časových úseků daných počty vln pi a p₂, generovaných v generátoru 3 počtu propuštěných a zadržených vln sinusového napájení.

Zapojení k řízení otáček asynchronního motoru se dá s výhodou z velké části realizovat softwarově pomocí mikroprocesorové automatiky. Realizace zapojení k provádění způsobu řízení otáček asynchronního motoru pomocí mikroprocesorové automatiky je znázorněna pomocí blokových schémat na obr. 4 a obr. 5. Na obr. 4 je analogicky k obr. 2 varianta se zpětnou vazbou, na obr. 5 je analogicky k obr. 3 varianta bez zpětné vazby. Zapojení na obou obrázcích znázorňují řízený motor 7, na jehož napájecí vinutí je připojen silový výstup spínače 6. Na obr. 4 je navíc znázorněn snímač otáček 8. Na obr. 4 a 5 je nakreslen detektor i průchodu napětí nulou s tvarovačem. Naproti tomu generátor 3 počtu propuštěných a zadržených vln sinusového napájení, programovatelný čítač 2, dělič 4 dvěma a zpožďovací člen 5 zakresleny nejsou, neboť

-4CZ 301304 B6 mohou být s výhodou realizovány jako část algoritmu mikroprocesorové automatiky. Jako výhodné se jeví využití tzv. externího přerušení mikroprocesoru. Většina mikroprocesorů a jednočipových mikropočítačů mají tuto funkci ve svém vybavení zabudovánu. Jde v podstatě o logický vstup mikroprocesoru, fyzicky o jedno vstupní místo - pin, mající tu vlastnost, že změna logické hodnoty na tomto pinu vyvolá přerušení běhu programu mikroprocesoru. Mikroprocesor opustí činnost, kterou dosud vykonával, když si před tím zapamatoval místo, kde byl přerušen, aby se tam opět mohl vrátit, a začne obsluhovat přerušení. To znamená, že skočí do podprogramu, který zpracuje událost, jež nastala na zmíněném pinu. Sem je připojen výstup detektoru 1 průchodu napětí nulou s tvarovačem. Mikroprocesor tedy přesně zná okamžiky, kdy io je v napájecí síti nulové napětí a nyní může velice jednoduše počítat jednotlivé vlny napájení a takto získané počty porovnávat s hodnotami p] a po, jež byly natrvalo uloženy do paměti a v jejich rytmu střídat logickou úroveň na některém z výstupních pinů připojených na ovládací vstup snímače 6. Zpoždění, v hardwarové verzi realizované pomocí zpožďovacího členu 5, se programově zajistí pomocí vnitřního časovače mikroprocesoru. Zpětnovazební informace o sku15 tečných otáčkách motoru 7, jak je patmo z obr. 4, je možné rovněž přivést na vstup mikroprocesoru a ten podle potřeby vybírá takovou dvojici p_t a p₂, jejíž účinky na otáčky motoru 2 vyrovnají případnou odchylku okamžitých otáček od požadovaných. V případě zjednodušeného zapojení k provádění způsobu řízení otáček asynchronního motoru dle obr. 3 jsou počty propuštěných vln pi a zadržených vln p₂ pevně stanoveny k požadovaným otáčkám motoru 7. Aktuálně je vždy vybírána ta dvojice hodnot, jež přísluší právě požadovaným otáčkám motoru 7 ventilátoru. Pri tomto zjednodušeném zapojení k provádění způsobu řízení otáček asynchronního motoru 7, kde je odstraněna zpětná vazba, poněkud klesne přesnost řízených otáček, což v radě aplikací nemusí být na závadu. Je to dáno tím, že různé motory stejného typu a provedení mohou mít ve stejné aplikaci různý mechanický odpor proti otáčení. Tento efekt se projevuje zejména pri nízkých otáčkách motoru.

Průmyslová využitelnost

Zapojení pro řízení otáček ventilátoru s asynchronním motorem lze využít v těch aplikacích s asynchronními motory, kde nezáleží na krátkodobé časové stabilitě regulovaných otáček. Např.

při promíchávání plynných médií v uzavřených objemech. Dále lze využít výše popsané řízení asynchronního motoru v těch aplikacích, kde doba rozběhu motoru je mnohonásobně větší než perioda napájecího napětí a nezáleží zde na krátkodobé stabilitě otáček.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

L Zapojení pro řízení otáček asynchronního motoru, vyznačující se tím, že obsahuje detektor (1) průchodu napětí nulou s tvarovačem, jehož výstup je spojen s prvním vstupem

40 programovatelného čítače (2), jehož výstup je připojen na vstup děliče (4) dvěma, jenž má výstup připojen na zpožďovací člen (5), jehož výstup je přiveden na ovládací vstup spínače (6), který má na síťový vstup přiveden zdroj napájení a silový výstup má připojen k napájecímu vinutí motoru (7), přičemž k druhému vstupu programovatelného čítače (2) je svým výstupem připojen generátor (3) počtu propuštěných a zadržených vln sinusového napájení, do jehož prvního vstupu

45 je připojena požadovaná hodnota otáček a druhý vstup má připojen k výstupu děliče (4) dvěma.
2. Zapojení pro řízení otáček asynchronního motoru podle nároku 1, vyznačující se tím, že má snímač (8) otáček zapojen ve větvi zpětné vazby, jeho výstup je připojen k třetímu vstupu generátoru (3) počtu propuštěných a zadržených vln sinusového napájení, do jehož

50 prvního vstupu je připojena požadovaná hodnota otáček a druhý vstup je připojen k výstupu děliče (4) dvěma a výstup má připojen k druhému vstupu programovatelného čítače (2).

5 výkresů