PL236459B1 - Optoelektroniczny układ sterowania silnikiem elektrycznym prądu zmiennego - Google Patents

Abstract

Optoelektroniczny układ sterowania silnikiem elektrycznym prądu zmiennego charakteryzuje się tym, że zawiera mikrokontroler (1) pełniący funkcje MASTER połączony z jednej strony z klawiaturą (2), odbiornikiem podczerwieni (3), wyświetlaczem krystalicznym (4), woltomierzem (5) i enkoderem (6), a z drugiej strony poprzez drugi mikrokontroler (7) SLAVE i sterowniki (8) zasilane z osobnego źródła napięcia (9) z trójfazowym układem mostkowym (10), który połączony jest ze źródłem napięcia stałego (11), woltomierzem (5) i poprzez filtr pasywny (12) z silnikiem (13).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest optoelektroniczny układ sterowania silnikiem prądu zmiennego, który jest wykorzystywany do napędzania maszyn i urządzeń. Zaprojektowano układ sterowania pracą trójfazowego silnika indukcyjnego z wykorzystaniem elementów i metod optoelektronicznych. Wybrano sterowanie prędkością silnika poprzez zmianę częstotliwości napięcia zasilającego. Rozwiązanie to umożliwia uzyskanie szerokiego zakresu prędkości obrotowych wału silnika przy jednoczesnym zapewnieniu stałego momentu i korzystnego przebiegu rozruchu silnika indukcyjnego.

Znany jest z wynalazku US2017353119 - Moduł mocy, który obejmuje wielowarstwową płytkę, drukowaną zawierającą dwa trójfazowe falowniki. Zamocowane są w sposób umożliwiający układanie jednego na drugim. Ścieżka przewodząca elektrody po stronie dodatniej elektrody pierwszego falownika trójfazowego i ścieżka przewodząca elektrody z ujemnej strony drugiego falownika są rozmieszczone co najmniej częściowo naprzeciw siebie w kierunku ustawiania w stos wielowarstwowej płytki drukowanej, przez co prądy przepływają odpowiednio przez ścieżki przewodzące w przeciwnych kierunkach. Ścieżka przewodząca elektrody po stronie ujemnej elektrody pierwszego falownika trójfazowego i ścieżka przewodząca elektrody z dodatniej strony drugiego falownika są rozmieszczone co najmniej częściowo naprzeciw siebie w kierunku ustawiania w stos wielowarstwowej płytki drukowanej, przez co prądy przepływają odpowiednio przez ścieżki przewodzące w przeciwnych kierunkach.

W zgłoszeniu wynalazku US2017288587 opisany jest, sposób sterowania asynchronicznym silnikiem elektrycznym realizowanym w jednostce przetwarzającej związanej z konwerterem mocy połączonym do silnika elektrycznego. Metoda ta składa się z fazy identyfikacji, obejmującej generowanie trajektorii prędkości na wejściu kontrolującym silnik w celu zapewnienia, że prędkość referencyjna przyjmie kilka kolejnych wartości, dla których określane jest napięcie na zaciskach silnika elektrycznego, określając i zachowując wartość strumienia, dla której napięcie na zaciskach osiąga wartość progową.

Ze zgłoszenia wynalazku WO2010115725 znany jest układu sterowania naprzemiennym ładunkiem elektrycznym. Wynalazek zawiera napęd o zmiennej prędkości wraz z modułem prostownika zawierający kilka końcówek (L1, L2, L3). Moduł dostarcza napięcie stałe między linie dodatnią i ujemną szyny zasilającej, która obejmuje moduł falownika, pozwalający uzyskać zmienne napięcie. Układ zawiera wiele źródeł prądu stałego, a dodatni zacisk każdego źródła jest podłączony do oddzielnego zacisku zasilana (L1, L2, L3) modułu prostownika. Ujemne zaciski źródeł są przyłączone do ujemnej szyny zasilającej.

W zgłoszeniu wynalazku US2017244343 opisana jest metoda i system sterowania instalacji sterującej silnika elektrycznego. Układ zawiera pierwszy konwerter kontrolowany w celu zastosowania zboczy impulsów napięcia do silnika elektrycznego o modulacji szerokości impulsów, uzyskiwanych przez porównywanie pierwszego sygnału modulowanego z pierwszym sygnałem modulującym. Układ zawiera także drugi konwerter sterujący drugim sygnałem o modulowanej szerokości impulsów, uzyskiwanym przez porównanie drugiego sygnału modulowanego z drugim sygnałem modulującym. Metoda kontroli polega na określaniu optymalnych kątów przesunięcia fazowego dla pierwszego i drugiego sygnału modulowanego.

Według wynalazku, optoelektroniczny układ sterowania silnikiem elektrycznym prądu zmiennego charakteryzuje się tym, że zawiera mikrokontroler pełniący funkcję MASTER połączony z jednej strony z klawiaturą, odbiornikiem podczerwieni, wyświetlaczem krystalicznym, woltomierzem i enkoderem, a z drugiej strony poprzez drugi mikrokontroler SLAVE i sterowniki zasilane z osobnego źródła napięcia z trójfazowym układem mostkowym, który połączony jest ze źródłem napięcia stałego, woltomierzem i poprzez filtr pasywny z silnikiem.

W zaprojektowanym układzie sterowania pracą trójfazowego silnika indukcyjnego z wykorzystaniem elementów i metod optoelektronicznych wybrano sterowanie prędkością silnika poprzez zmianę częstotliwości napięcia zasilającego. Rozwiązanie to umożliwia uzyskanie szerokiego zakresu prędkości obrotowych wału silnika przy jednoczesnym zapewnieniu stałego momentu i korzystnego przebiegu rozruchu silnika indukcyjnego.

Główne zalety to:

1. Możliwość sterowania prędkością obrotową silnika w szerokim zakresie.

2. Zmniejszenie obciążeń powstających przy rozruchu silnika.

3. Utrzymywanie stałej wartości momentu dla różnych wartości częstotliwości napięcia zasilającego.

PL 236 459 B1

4. Optoelektroniczne odizolowanie układu sterowania, obsługiwanego przez użytkownika, od narażonego na działanie wysokich napięć układu roboczego.

5. Kompensacja poślizgu silnika, umożliwiająca uzyskanie zadanej prędkości obrotowej.

6. Oparta o wykorzystanie klawiatury oraz pilota zdalnego sterowania komunikacją.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia układ do sterowania silnikiem elektrycznym w schemacie ogólnym.

Optoelektroniczny układ sterowania silnikiem elektrycznym prądu zmiennego zawiera mikrokontroler 1 pełniący funkcję Master połączony z jednej strony z klawiaturą 2, odbiornikiem podczerwieni 3, wyświetlaczem krystalicznym 4, woltomierzem 5 i enkoderem 6, a z drugiej strony poprzez drugi mikrokontroler 7 i sterowniki 8 zasilane z osobnego źródła napięcia 9 z trójfazowym układem mostkowym 10, który połączony jest ze źródłem napięcia stałego 11, woltomierzem 5 i poprzez filtr pasywny 12 z silnikiem 13.

Układ zawiera mikrokontroler 1 pełniący funkcję Master, który odpowiada za komunikację pomiędzy użytkownikiem a układem. Osoba obsługująca stanowisko może posługiwać się klawiaturą 2 zawierającą sześć przycisków lub pilotem zgodnym z protokołem NEC, którego sygnały są odbierane przez odbiornik podczerwieni 3. Układ przekazuje informacje użytkownikowi za pośrednictwem wyświetlacza ciekłokrystalicznego 4. Na podstawie wprowadzonych przez użytkownika wartości mikrokontroler 1 pełniący funkcję Master wydaje polecenia mikrokontrolerowi 7 pełniącemu funkcję Slave, który generuje sygnał sterujący wysyłany do optoelektronicznych sterowników 8 bramek tranzystorów IGBT. Sterowniki 8 zapewniają izolację układu sterowania od układu roboczego, chroniąc delikatną elektronikę przed mogącymi ją uszkodzić obciążeniami. Na podstawie otrzymanych sygnałów optoelektroniczne sterowniki 8 odpowiednio włączają lub wyłączają tranzystory bipolarne z izolowaną bramką w układzie mostkowym 10, które kształtują napięcie stałe pobierane ze źródła zasilania 11. Optoelektroniczne sterowniki 8 są zasilane z oddzielnego źródła napięcia stałego 9, dzięki czemu potencjalne awarie głównego źródła zasilania 11 nie mają wpływu na możliwość sterowania pracą układu. Wartość napięcia jest mierzona przez elektroniczny woltomierz 5, który poprzez transoptor przekazuje aktualne wartości do mikrokontrolera 1 pełniącego funkcję Master. Napięcie wyjściowe falownika jest filtrowane przez filtr pasywny 12. Prędkość obrotowa silnika 13 jest mierzona przez optoelektroniczny enkoder 6, który przekazuje odpowiednie sygnały do mikrokontrolera 1 pełniącego funkcję Master. Na podstawie uzyskanych danych układ ma możliwość modyfikacji częstotliwości napięcia zasilającego w celu uwzględnienia wpływu niższego poziomu napięcia źródła 11 oraz poślizgu silnika 13. Ponadto użytkownik ma dostęp do podglądu tych parametrów wykorzystując wyświetlacz LCD 4.

Układ według wynalazku działa w taki sposób, że po uruchomieniu pracy układu mikrokontroler 1 MASTER nieustannie pobiera informacje na temat prędkości obrotowej silnika 13, na podstawie których oblicza nowe wartości częstotliwości napięcia zasilającego. Wynik obliczeń jest przesyłany poprzez komunikację szeregową do mikrokontrolera 7 SLAVE, który na ich podstawie generuje sygnał w postaci impulsów o modulowanej szerokości, które poprzez optoelektroniczne sterowniki 8 sterują pracą układu mostkowego 10. Pozwala to uzyskać na wyjściu układu sterowania napięcie o pożądanej częstotliwości, wymuszającej zadaną wartość prędkości obrotowej silnika 13.

Układ izoluje użytkownika od napięć niebezpiecznych, zmniejszając ryzyko wypadku w trakcie pracy. Szeroki zakres prędkości obrotowych zwiększa elastyczność pracy sterowanego silnika. Wykorzystanie stałego źródła zasilania pozwala wykorzystywać układ do sterowania silnikami napędzającymi pojazdy zasilane za pomocą akumulatorów.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Optoelektroniczny układ sterowania silnikiem elektrycznym prądu zmiennego, znamienny tym, że zawiera mikrokontroler (1) pełniący funkcję MASTER połączony z jednej strony z klawiaturą (2), odbiornikiem podczerwieni (3), wyświetlaczem krystalicznym (4), woltomierzem (5) i enkoderem (6), a z drugiej strony poprzez drugi mikrokontroler (7) SLAVE i sterowniki (8) zasilane z osobnego źródła napięcia (9) z trójfazowym układem mostkowym (10), który połączony jest ze źródłem napięcia stałego (11), woltomierzem (5) i poprzez filtr pasywny (12) z silnikiem (13).