RU2491706C1 - Device to stabilise rotation frequency of single-phased commutator motor - Google Patents

Device to stabilise rotation frequency of single-phased commutator motor Download PDF

Info

Publication number
RU2491706C1
RU2491706C1 RU2012104051/07A RU2012104051A RU2491706C1 RU 2491706 C1 RU2491706 C1 RU 2491706C1 RU 2012104051/07 A RU2012104051/07 A RU 2012104051/07A RU 2012104051 A RU2012104051 A RU 2012104051A RU 2491706 C1 RU2491706 C1 RU 2491706C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
motor
pulse
square root
input
transistor
Prior art date
Application number
RU2012104051/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Иванович Суздорф
Александр Сергеевич Мешков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "КнАГТУ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "КнАГТУ") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "КнАГТУ")
Priority to RU2012104051/07A priority Critical patent/RU2491706C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2491706C1 publication Critical patent/RU2491706C1/en

Links

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: square root calculator is introduced into the feedback channel thus forming quadratic function of feedback signal and hence valid voltage value changes as a square root function of electromagnetic torque of the motor at constant speed, and accordingly optimal control law for the electric drive is ensured as regards maximum performance efficiency in dynamic modes.
EFFECT: improvement of energy indicators for electric drive.
1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и, в частности, к электрифицированному инструменту, бытовым и промышленным электроприборам, приборам специального назначения.The invention relates to electrical engineering and, in particular, to an electrified tool, household and industrial electrical appliances, devices for special purposes.

Известно устройство (http://www.coilgun.ru/920/regulator.gif) для автоматической стабилизации частоты вращения электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения, включающее в себя генератор пилообразного напряжения (ГПН), схему сравнения сигнала с выхода ГПН с сигналом обратной связи и широтно-импульсный преобразователь для регулирования скорости двигателя. Недостатком данного решения является то, что оно не реагирует на ряд возмущений (например, отклонения напряжения источника питания и температуры нагрева обмоток двигателя), так как не контролирует выходной координаты - частоты вращения электродвигателя.A device is known (http://www.coilgun.ru/920/regulator.gif) for automatically stabilizing the rotational speed of a dc sequential excitation electric motor, which includes a sawtooth voltage generator (GPN), a circuit for comparing the signal from the output of the GPN with a feedback signal and a pulse-width converter for controlling engine speed. The disadvantage of this solution is that it does not respond to a number of disturbances (for example, deviations of the voltage of the power source and the heating temperature of the motor windings), since it does not control the output coordinate - the frequency of rotation of the electric motor.

Наиболее близким к заявляемому решению, по мнению заявителей, является устройство для реализации способа стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного электродвигателя по а.с. СССР №997216, Н02Р 5/12 от 15.02.83 г. Устройство содержит электрический двигатель постоянного тока последовательного возбуждения, включенный в диагональ полууправляемого вентильного моста (усилителя мощности) и зашунтированный обратным диодом и разрядным резистором, общая точка которого подключена к входу промежуточного усилителя, состоящего из операционного усилителя и транзистора, причем выход промежуточного усилителя является входом интегратора, состоящего из транзистора и конденсатора, который подключен ко входу коммутирующего устройства, выполняющего функции блока управления усилителем мощности, включающего конденсатор, на котором формируется заданное напряжение, транзистор, напряжение отпирания которого является опорным напряжением.Closest to the claimed solution, according to the applicants, is a device for implementing a method of stabilizing the rotational speed of a single-phase collector motor according to as USSR No. 997216, Н02Р 5/12 dated 02.15.83, the device contains an electric DC motor with series excitation, included in the diagonal of a semi-controlled valve bridge (power amplifier) and shunted by a reverse diode and discharge resistor, the common point of which is connected to the input of an intermediate amplifier, consisting of an operational amplifier and a transistor, the output of the intermediate amplifier being the input of an integrator consisting of a transistor and a capacitor that is connected to the input of the switching device a solid, performing the functions of a power amplifier control unit, including a capacitor, on which a given voltage is generated, a transistor, the unlock voltage of which is a reference voltage.

Недостатком указанного устройства является то, что в динамических режимах работы величина коэффициента полезного действия (КПД) системы стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного двигателя имеет достаточно небольшое значение, при том что основным режимом работы такого электропривода является динамический режим, тогда как максимальное значение КПД будет при номинальных значениях тока и напряжения, на которые и рассчитывался двигатель.The disadvantage of this device is that in dynamic modes of operation the value of the coefficient of efficiency (COP) of the stabilization system of the rotational speed of a single-phase collector motor is quite small, while the main mode of operation of such an electric drive is dynamic mode, while the maximum value of efficiency will be at nominal values of current and voltage, for which the engine was calculated.

Технический результат предлагаемого решения заключается в повышении коэффициента полезного действия электропривода в динамических режимах.The technical result of the proposed solution is to increase the efficiency of the electric drive in dynamic modes.

Поставленная цель достигается тем, что в цепь обратной связи вводится устройство вычисления корня квадратного (квадратор) (Бобровников Л.З. Радиотехника и электротехника. / Л.З. Бобровников. - 4-е изд., доп. и перераб. - М.: Недра, 1990, с.172), формирующее квадратичную зависимость от сигнала обратной связи, и пропорционально выходному сигналу квадратора изменяется действующее значение напряжения питания двигателя на выходе ШИП.This goal is achieved by the fact that a device for calculating the square root (quadrator) is introduced into the feedback circuit (Bobrovnikov LZ Radio engineering and electrical engineering. / LZ Bobrovnikov. - 4th ed., Ext. And revised. - M. : Nedra, 1990, p. 172), which forms a quadratic dependence on the feedback signal, and in proportion to the output signal of the quadrator, the effective value of the motor voltage at the output of the SHIP changes.

На фиг.1 представлена схема устройства стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного электродвигателя.Figure 1 presents a diagram of a device for stabilizing the speed of a single-phase collector motor.

Устройство для стабилизации частоты вращения электродвигателя содержит неуправляемый выпрямитель 1, широтно-импульсный преобразователь 2, электродвигатель постоянного тока последовательного возбуждения 5, зашунтированный обратным диодом и разрядным резистором, общая точка которых подключена к системе управления 6, которая определяет темп спадания ЭДС самоиндукции, квадратор 4, который формирует сигнал управления коммутирующим устройством, пропорциональный квадратному корню электромагнитного момента двигателя, и коммутирующее устройство 3, которое формирует сигнал управления широтно-импульсным преобразователем для регулирования ширины приложенного импульса выпрямленного питающего напряжения.A device for stabilizing the rotational speed of an electric motor comprises an uncontrolled rectifier 1, a pulse-width converter 2, a dc motor of series excitation 5, shunted by a reverse diode and a discharge resistor, the common point of which is connected to the control system 6, which determines the rate of decay of the self-induction EMF, quadrator 4, which generates a control signal for a switching device proportional to the square root of the electromagnetic moment of the motor, and a switching device Property 3, which generates a control signal of a pulse-width converter for regulating the width of the applied pulse of the rectified supply voltage.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

В момент времени, когда транзистор, входящий в состав широтно-импульсного преобразователя 2, выключен, электродвигатель можно рассматривать отключенным от сети и, если при этом его цепь замкнута на разрядный резистор, для образованного контура электродвигатель - диод -резистор можно записать уравнениеAt a time when the transistor included in the pulse-width converter 2 is turned off, the electric motor can be considered disconnected from the network and, if its circuit is closed to a discharge resistor, for the formed motor-diode-resistor circuit, one can write the equation

L d i ( t ) d t + e ( t ) + ( R я + R о в ) i ( t ) = 0, ( 1 )

Figure 00000001
L d i ( t ) d t + e ( t ) + ( R I am + R about at ) i ( t ) = 0 ( one )
Figure 00000001

e ( t ) = k Ф c ω i ( t ) , ( 2 )

Figure 00000002
e ( t ) = k F c ω i ( t ) , ( 2 )
Figure 00000002

где e(t) - ЭДС якоря двигателя;where e (t) is the EMF of the engine armature;

с - конструктивная постоянная электродвигателя;C is the structural constant of the electric motor;

kФ - коэффициент пропорциональности между током якоря и магнитным потоком;k Ф - proportionality coefficient between armature current and magnetic flux;

Rя, Rов - сопротивления обмоток якоря и возбуждения;R I , R s - resistance windings of the armature and excitation;

ω - частота вращения вала электродвигателя, 1/с;ω is the frequency of rotation of the motor shaft, 1 / s;

L - индуктивность цепи электродвигателя, Гн.L is the inductance of the electric motor circuit, GN.

С большой точностью можно принять, что L=const, поскольку ток i(t) якоря вызван действием ЭДС самоиндукции и составляет около 10-15% от номинального тока Iн. По той же причине и kФ=const.With great accuracy, we can assume that L = const, since the current i (t) of the armature is caused by the action of the self-induction EMF and is about 10-15% of the nominal current I n . For the same reason, and k Ф = const.

Время t0, при котором ток, определяемый уравнением (1), обращается в нуль, а следовательно, обращается в нуль и ЭДС самоиндукции, с большой степенью точности пропорционально току нагрузки и обратно пропорционально частоте вращения двигателя. Интервал времени от π до π+ωt0 соответствует ширине импульса напряжения на разрядном резисторе, шунтирующем двигатель (5), который поступает на вход системы управления (6), определяя темп спадания ЭДС самоиндукции. Выходной сигнал системы управления (6), содержащий информацию об угловой частоте вращения двигателя, подается на вход квадратора (4), в котором формируется сигнал, пропорциональный квадратному корню от электромагнитного момента двигателя. Сформированный сигнал подается на вход коммутирующего устройства (3), которое формирует сигналы управления транзисторами широтно-импульсного преобразователя.Time t 0 , at which the current defined by equation (1) vanishes, and therefore vanishes and the self-induction EMF is, with a high degree of accuracy, proportional to the load current and inversely proportional to the engine speed. The time interval from π to π + ωt 0 corresponds to the width of the voltage pulse across the discharge resistor shunting the motor (5), which is fed to the input of the control system (6), determining the rate of decline of the self-induction EMF. The output signal of the control system (6), containing information on the angular frequency of rotation of the engine, is fed to the input of a quadrator (4), in which a signal is generated proportional to the square root of the electromagnetic moment of the engine. The generated signal is fed to the input of the switching device (3), which generates control signals for the transistors of the pulse-width converter.

Необходимость формирования сигнала обратной связи в функции квадратного корня от электромагнитного момента двигателя определяется оптимальным, с точки зрения обеспечения максимума КПД в динамических режимах, законом управления однофазным коллекторным электродвигателем.The necessity of generating a feedback signal as a function of the square root of the electromagnetic moment of the motor is determined by the optimal, from the point of view of ensuring maximum efficiency in dynamic modes, control of a single-phase collector electric motor.

Для определения критерия управления рассмотрим структуру «управляемый преобразователь - двигатель последовательного возбуждения» в относительных единицах:To determine the control criterion, we consider the structure "controlled converter - sequential excitation engine" in relative units:

i = I I H = μ

Figure 00000003
; μ = M M H = i 2
Figure 00000004
; ν = ω ω H
Figure 00000005
; u = U U H
Figure 00000006
; μ C = M C M H
Figure 00000007
; τ = t T M
Figure 00000008
; T M = J ω H M H
Figure 00000009
; ρ = R Я R H
Figure 00000010
i = I I H = μ
Figure 00000003
; μ = M M H = i 2
Figure 00000004
; ν = ω ω H
Figure 00000005
; u = U U H
Figure 00000006
; μ C = M C M H
Figure 00000007
; τ = t T M
Figure 00000008
; T M = J ω H M H
Figure 00000009
; ρ = R I AM R H
Figure 00000010

Тогда основное уравнение движения ЭП в системе относительных единиц имеет вид:Then the basic equation of motion of the electron beam in the system of relative units has the form:

μ = d ν d τ + μ c

Figure 00000011
μ = d ν d τ + μ c
Figure 00000011

Задачу оптимального управления электропривода можно сформулировать следующим образом: изменить скорость двигателя от значения ν1 до ν2 так, чтобы за произвольное время переходного процесса энергия, потребляемая от преобразователя, была минимальной. Для этого необходимо обеспечить максимум динамическому КПД:The task of optimal control of the electric drive can be formulated as follows: change the motor speed from the value ν 1 to ν 2 so that for an arbitrary time of the transition process the energy consumed from the converter is minimal. For this, it is necessary to provide maximum dynamic efficiency:

η ( τ ) = ( μ c ν ) d τ ( μ c ν + Δ P ) d τ

Figure 00000012
η ( τ ) = ( μ c ν ) d τ ( μ c ν + Δ P ) d τ
Figure 00000012

где ΔР - это потери в ЭП: электрические ΔРэл и механические ΔРмех.where ΔР is the loss in the electric field: electrical ΔР el and mechanical ΔР mech .

Очевидно, что максимум данному функционалу будет обеспечиваться при следующем условии:Obviously, the maximum of this functionality will be provided under the following condition:

( μ C ν + u 2 ρ + Δ P M E X ) d τ min

Figure 00000013
( μ C ν + u 2 ρ + Δ P M E X ) d τ min
Figure 00000013

Выразив из уравнения движения dτ и заменив пределы интегрирования, получимExpressing dτ from the equation of motion and replacing the integration limits, we obtain

0 τ П П ( μ C ν + u 2 ρ + Δ P M E X ) d τ = ν 1 ν 2 ν ( μ C + u 2 ρ + Δ P M E X ) d ν μ μ C

Figure 00000014
0 τ P P ( μ C ν + u 2 ρ + Δ P M E X ) d τ = ν one ν 2 ν ( μ C + u 2 ρ + Δ P M E X ) d ν μ - μ C
Figure 00000014

В тех случаях, когда µС является функцией скорости и не зависит явно от времени и пути, минимум определенного интеграла достигается при том условии, что при каждом значении скорости на интервале ν12 момент двигателя обеспечивает минимум подынтегрального выраженияIn those cases when µ C is a function of speed and does not depend explicitly on time and path, the minimum of a certain integral is achieved provided that for each value of speed in the interval ν 12 the motor moment provides a minimum of the integrand

d d μ [ ( ν μ C + u 2 ρ + Δ P M E X ) μ μ C ] = 0

Figure 00000015
d d μ [ ( ν μ C + u 2 ρ + Δ P M E X ) μ - μ C ] = 0
Figure 00000015

Найдем производную и выразим напряжение, пренебрегая механическими потерями:Find the derivative and express the stress, neglecting mechanical losses:

u = ± a μ

Figure 00000016
u = ± a μ
Figure 00000016

где a=ν·ρ.where a = ν · ρ.

Таким образом, заявленный технический результат достигнут вследствие того, что в канал обратной связи вводится множительно-делительное устройство, формирующее квадратичную функцию от сигнала обратной связи, и тем самым действующее значение напряжения изменяется в функции квадратного корня от электромагнитного момента двигателя при постоянной скорости, а следовательно, обеспечивается оптимальный, с точки зрения обеспечения максимума КПД в динамических режимах, закон управления электроприводом.Thus, the claimed technical result is achieved due to the fact that a multiplier dividing device is introduced into the feedback channel, forming a quadratic function of the feedback signal, and thereby the effective voltage value changes as a function of the square root of the electromagnetic moment of the engine at a constant speed, and therefore provides the optimal, from the point of view of ensuring maximum efficiency in dynamic modes, the law of control of the electric drive.

Claims (1)

Устройство стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного двигателя, содержащее двигатель постоянного тока последовательного возбуждения, питаемый от широтно-импульсного преобразователя и зашунтированный обратным диодом и разрядным резистором, общая точка которых подключена к входу системы управления, которая содержит промежуточный усилитель, состоящий из операционного усилителя и компаратора и транзистора, причем выход промежуточного усилителя является входом интегратора, состоящего из транзистора и конденсатора, который подключен ко входу коммутирующего устройства, которое формирует сигнал управления широтно-импульсным преобразователем, включающий конденсатор, на котором формируется заданное напряжение, транзистор, напряжение питания которого является опорным напряжением, отличающееся тем, что в устройстве присутствует устройство вычисления корня квадратного, формирующее сигнал управления коммутирующим устройством, которое управляет транзисторами широтно-импульсного преобразователя таким образом, что действующее значение напряжения питания однофазного коллекторного двигателя изменяется в функции квадратного корня от электромагнитного момента двигателя, а также усилитель мощности состоит из неуправляемого выпрямителя и широтно-импульсного преобразователя. A device for stabilizing the rotational speed of a single-phase collector motor, comprising a series-direct current DC motor, fed from a pulse-width converter and shunted by a reverse diode and a discharge resistor, the common point of which is connected to the input of the control system, which contains an intermediate amplifier consisting of an operational amplifier and a comparator and transistor, and the output of the intermediate amplifier is the input of an integrator consisting of a transistor and a capacitor, cat The first one is connected to the input of the switching device, which generates a control signal for a pulse-width converter, including a capacitor, on which a given voltage is generated, a transistor, the supply voltage of which is a reference voltage, characterized in that the device contains a square root calculator that generates a switching control signal a device that controls the transistors of a pulse-width converter in such a way that the effective voltage value is supplied I single-phase commutator motor varies as a function of the square root of the electromagnetic torque of the engine, and a power amplifier consists of an uncontrolled rectifier and PWM inverter.
RU2012104051/07A 2012-02-06 2012-02-06 Device to stabilise rotation frequency of single-phased commutator motor RU2491706C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012104051/07A RU2491706C1 (en) 2012-02-06 2012-02-06 Device to stabilise rotation frequency of single-phased commutator motor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012104051/07A RU2491706C1 (en) 2012-02-06 2012-02-06 Device to stabilise rotation frequency of single-phased commutator motor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2491706C1 true RU2491706C1 (en) 2013-08-27

Family

ID=49163940

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012104051/07A RU2491706C1 (en) 2012-02-06 2012-02-06 Device to stabilise rotation frequency of single-phased commutator motor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2491706C1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU997216A1 (en) * 1981-01-28 1983-02-15 Томский Ордена Октябрьской Революции И Ордена Трудового Красного Знамени Политехнический Институт Им.С.М.Кирова Method of stabilizing single-phase communication electric motor rotational speed
RU2323173C1 (en) * 2006-11-30 2008-04-27 Юлия Алексеевна Щепочкина Glass

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU997216A1 (en) * 1981-01-28 1983-02-15 Томский Ордена Октябрьской Революции И Ордена Трудового Красного Знамени Политехнический Институт Им.С.М.Кирова Method of stabilizing single-phase communication electric motor rotational speed
RU2323173C1 (en) * 2006-11-30 2008-04-27 Юлия Алексеевна Щепочкина Glass

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI446138B (en) Wind power excitation synchronous generator system and control method thereof
CN104067508B (en) The method for controlling brushless electric machine
EP3736954B1 (en) Predictive pulse width modulation for an open delta h-bridge driven high efficiency ironless permanent magnet machine
JP2011072092A (en) Output control apparatus of generator
WO2005109623A1 (en) Adaptive system for optimizing excitation current waveform profiles for electric motors
Frayyeh et al. Speed control of direct current motor using Mechanical Characteristics
KR970069851A (en) Control device to control elevator AC motor with high driving efficiency
Afrasiabi et al. DC motor control using chopper
US9419556B2 (en) Method and arrangement for operating a pump
RU2444838C1 (en) Device to stabilise rotation frequency of single-phased commutator motor
RU2361356C1 (en) Method and device for control of asynchronous motor
JP5188734B2 (en) DC brushless motor controller
RU2491706C1 (en) Device to stabilise rotation frequency of single-phased commutator motor
JP2013062971A (en) Motor drive
JP4972583B2 (en) Inverter and method of suppressing demagnetization
JP2009240040A (en) Current control device
RU2487459C1 (en) Device to stabilise rotation frequency of single-phased commutator motor
RU2568816C1 (en) Device to stabilise rotation frequency of single-phased commutator motor with enhanced reliability
RU136261U1 (en) EXTREME CONTROL DC ELECTRIC DRIVE
US20150270798A1 (en) Wind Power Excitation Synchronous Generation System Having Maximum Power Determining Unit and Control Method thereof
CN201774454U (en) Ion heat-dissipating equipment
JP2006246667A (en) Motor driving device
RU2344949C1 (en) Electromagnetic torque control method for direct-current railway motors on electric rolling stock
CN102611374A (en) Method for voltage buildup of three-phase alternating-current synchronous generator and circuit
RU2530532C1 (en) Asynchronous motor soft start-up device

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140207