Устройство для формирования гармонического сигнала (варианты)

Устройство для формирования гармонического сигнала (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к устройствам генерирования электрических колебаний, обеспечивающих несколько выходных сигналов, и может быть использовано в устройствах электротехники для формирования двухфазного или трехфазного сигнала задания тока и напряжения электропривода переменного тока, а также к другим областям техники, где необходимо иметь двухфазные либо трехфазные напряжения или токи строго синусоидальной формы, регулируемой частоты с точным 90° или 120° - фазовым сдвигом между ними и возможностью изменения порядка чередования фаз.

Известно устройство [1], содержащее последовательно соединенные блок управления, генератор переменной частоты, первые алгебраический сумматор, счетчик, постоянный запоминающий элемент, цифроаналоговый преобразователь и переключатель полярности, а также первый триггер, выход которого подключен к управляющему входу первого переключателя полярности, а первый управляющий вход первого алгебраического сумматора подключен к выходу первого счетчика.

Известное устройство обладает следующими недостатками: формирование отрицательной половины периода гармонического сигнала осуществляется изменением полярности положительного полупериода при помощи переключателей, что может привести к возникновению помех в выходном сигнале в результате "дребезга" переключателей, а также не имеет дополнительных трех выходных синусоидальных сигналов для расширения возможностей генератора.

Известно устройство [2], состоящее из последовательно соединенных блока управления, генератора переменной частоты, первого алгебраического сумматора, счетчика, постоянного запоминающего элемента, цифроаналогового преобразователя и переключателя полярности, а также первого триггера, выход которого подключен к управляющему входу первого переключателя полярности, а первый управляющий вход первого алгебраического сумматора подключен к выходу первого счетчика, последовательно соединенные вторые алгебраический сумматор, счетчик, постоянный запоминающий элемент, цифроаналоговый преобразователь и переключатель полярности, а также второй триггер, выход которого подключен к управляющему входу второго переключателя полярности, при этом сигнальный вход второго алгебраического сумматора подключен к выходу генератора переменной частоты, а первый управляющий вход - к выходу второго счетчика, сигнальный вход первого и второго триггеров подключен к выходу соответственно первого и второго счетчиков, а также сумматор, входы которого подключены к выходам первого и второго переключателей полярности, и блок установки сдвига фаз, вход которого подключен к выходу блока управления, а выходы - к соответствующим управляющим входам первых и вторых алгебраических сумматоров, счетчиков и триггеров.

Известное устройство обладает следующими недостатками: для того чтобы получить полный период изменения синусоидального сигнала, в устройстве используются триггеры, которые при каждом повторении цикла счетчика дают команду на переключение полярности, что усложняет процесс формирования синусоидального сигнала и может привести к искажению его формы, оно не имеет дополнительных трех выходных синусоидальных сигналов для расширения возможностей генератора, также в нем отсутствует синхронизация выходных сигналов с напряжением сети.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в формировании дополнительных выходных синусоидальных сигналов управления направлением тока для реализации векторного управления электроприводом, также в непрерывном циклическом формировании периода гармонического сигнала без искажения его формы, а также с возможностью режима синхронизации всех выходных сигналов с напряжением сети. Предлагается два варианта устройства для формирования гармонического сигнала: первый вариант устройства предназначен для формирования двухфазного гармонического сигнала, второй вариант - для формирования трехфазного гармонического сигнала.

По первому варианту поставленная техническая задача решается тем, что известное устройство для формирования двухфазного гармонического сигнала, содержащее последовательно соединенные блок управления, генератор переменной частоты, счетчик, согласно изобретению, снабжено вычислительным устройством, содержащим первый и второй цифровые блоки формирования тригонометрических функций, блоком координатных преобразований сигнала управления напряжением, блоком координатных преобразований сигнала управления направлением тока, блоком вычисления заданных значений напряжений, блоком вычисления заданных значений токов, блоком вычисления скорости двигателя, блоком вычисления параметра абсолютного скольжения, переключателем, блоком синхронизации с сетевым напряжением и блоком формирования параметра абсолютного скольжения, выход блока управления подключен ко входу генератора переменной частоты, выход которого соединен со вторым входом счетчика, первый вход счетчика подсоединен к первому выходу блока синхронизации с сетевым напряжением, первый вход которого является информационным входом сетевого напряжения, второй вход соединен с выходом блока управления, первый вход блока вычисления параметра абсолютного скольжения подключен к выходу блока управления, второй вход блока вычисления параметра абсолютного скольжения соединен с выходом блока вычисления скорости двигателя, выход блока вычисления параметра абсолютного скольжения подключен к первому входу переключателя, второй вход которого соединен с выходом блока формирования параметра абсолютного скольжения, вход которого соединен с выходом блока управления, выход переключателя подключен к третьему входу блока вычисления заданных значений напряжений, а также ко второму входу блока вычисления заданных значений токов, первый вход которого соединен со вторым выходом блока синхронизации с сетевым напряжением, выход блока управления соединен с первым входом блока вычисления заданных значений напряжений, второй вход которого подключен ко второму выходу блока синхронизации с сетевым напряжением, выход счетчика подключен ко входам первого и второго цифровых блоков формирования тригонометрических функций, выход первого цифрового блока формирования тригонометрической функции соединен с четвертым входом блока координатных преобразований сигнала управления напряжением и со вторым входом блока координатных преобразований сигнала управления направлением тока, выход второго цифрового блока формирования тригонометрической функции подключен к третьему входу блока координатных преобразований сигнала управления напряжением и к первому входу блока координатных преобразований сигнала управления направлением тока, первый и второй выходы блока вычисления заданных значений напряжений соединены с первым и вторым входами блока координатных преобразований сигнала управления напряжением, первый и второй выходы блока вычисления заданных значений токов подключены соответственно к третьему и четвертому входам блока координатных преобразований сигнала управления направлением тока.

По второму варианту поставленная техническая задача решается тем, что известное устройство для формирования трехфазного гармонического сигнала, содержащее последовательно соединенные блок управления, генератор переменной частоты, счетчик, согласно изобретению, снабжено вычислительным устройством, содержащим первый и второй цифровые блоки формирования тригонометрических функций, блоком координатных преобразований сигнала управления напряжением, блоком координатных преобразований сигнала управления направлением тока, блоком фазовых преобразований сигнала управления напряжением, блоком фазовых преобразований сигнала управления направлением тока, блоком вычисления заданных значений напряжений, блоком вычисления заданных значений токов, блоком вычисления скорости двигателя, блоком вычисления параметра абсолютного скольжения, переключателем, блоком синхронизации с сетевым напряжением и блоком формирования параметра абсолютного скольжения, выход блока управления подключен ко входу генератора переменной частоты, выход которого соединен со вторым входом счетчика, первый вход счетчика подсоединен к первому выходу блока синхронизации с сетевым напряжением, первый вход которого является информационным входом сетевого напряжения, второй вход соединен с выходом блока управления, первый вход блока вычисления параметра абсолютного скольжения подключен к выходу блока управления, второй вход блока вычисления параметра абсолютного скольжения соединен с выходом блока вычисления скорости двигателя, выход блока вычисления параметра абсолютного скольжения подключен к первому входу переключателя, второй вход которого соединен с выходом блока формирования параметра абсолютного скольжения, вход которого соединен с выходом блока управления, выход переключателя подключен к третьему входу блока вычисления заданных значений напряжений, а также ко второму входу блока вычисления заданных значений токов, первый вход которого соединен со вторым выходом блока синхронизации с сетевым напряжением, выход блока управления соединен с первым входом блока вычисления заданных значений напряжений, второй вход которого подключен ко второму выходу блока синхронизации с сетевым напряжением, выход счетчика подключен ко входам первого и второго цифровых блоков формирования тригонометрических функций, выход первого цифрового блока формирования тригонометрической функции соединен с четвертым входом блока координатных преобразований сигнала управления напряжением и со вторым входом блока координатных преобразований сигнала управления направлением тока, выход второго цифрового блока формирования тригонометрической функции подключен к третьему входу блока координатных преобразований сигнала управления напряжением и к первому входу блока координатных преобразований сигнала управления направлением тока, первый и второй выходы блока вычисления заданных значений напряжений соединены с первым и вторым входами блока координатных преобразований сигнала управления напряжением, первый и второй выходы блока вычисления заданных значений токов подключены соответственно к третьему и четвертому входам блока координатных преобразований сигнала управления направлением тока, первый и второй выходы блока координатных преобразований сигнала управления напряжением соединены с первым и вторым входами блока фазовых преобразований сигнала управления напряжением, первый и второй выходы блока координатных преобразований сигнала управления направлением тока подключены к первому и второму входам блока фазовых преобразований сигнала управления направлением тока.

Кроме того, поставленная техническая задача решается также тем, что устройство по п.1, 2 может быть дополнено блоком синхронизации с сетевым напряжением, содержащим формирователь импульсов, информационный вход которого является первым входом блока, второй вход блока соединен со входом порогового элемента с релейной характеристикой, выход которого подключен ко второму входу логического элемента, первый вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, выход логического элемента является первым выходом блока, а также подключен ко входу элемента, задающего величину параметра абсолютного скольжения при синхронизации, выход которого является вторым выходом блока.

Кроме того, поставленная техническая задача решается также тем, что устройство по п.1, 2 может быть дополнено блоком формирования параметра абсолютного скольжения, содержащим последовательно соединенные масштабирующий элемент и квадратурный формирователь, выход которого является выходом блока.

Предлагаемое устройство схематично представлено на чертежах. На фиг.1 представлена блок-схема устройства для формирования двухфазного гармонического сигнала, на фиг.2 представлена блок-схема устройства для формирования трехфазного гармонического сигнала, на фиг.3 представлена блок-схема устройства синхронизации с сетевым напряжением, на фиг.4 представлена блок-схема формирователя параметра абсолютного скольжения.

Устройство по варианту 1 (фиг.1) содержит блок 1 управления, последовательно соединенный с генератором 2 переменной частоты, счетчик 3, первый вход которого подключен к первому выходу блока 4 синхронизации с сетевым напряжением, а второй вход соединен с выходом генератора 2, блок 5 вычисления скорости двигателя, вход которого подключен к внешнему импульсному датчику положения ротора, а выход соединен со вторым входом блока 6 вычисления параметра абсолютного скольжения, первый вход которого подключен к выходу блока 1 управления, переключатель 7 выходов блока 6 вычисления параметра абсолютного скольжения и блока 8 формирования параметра абсолютного скольжения, блок 9 вычисления заданных значений напряжений, первый вход которого соединен с выходом блока 1 управления, второй вход подключен ко второму выходу блока 4 синхронизации с сетевым напряжением, третий вход соединен с выходом переключателя 7, блок 10 вычисления заданных значений токов, первый вход которого соединен со вторым выходом блока 4 синхронизации с сетевым напряжением, а второй вход подключен к выходу переключателя 7, первый 11 и второй 12 блоки формирования тригонометрических функций, блок 13 координатных преобразований сигнала управления напряжением, блок 14 координатных преобразований сигнала управления направлением тока.

Устройство по варианту 2 (фиг.2) для формирования трехфазного гармонического сигнала дополнительно снабжено блоком 15 фазовых преобразований сигнала управления напряжением и блоком 16 фазовых преобразований сигнала управления направлением тока.

Блок 4 синхронизации с сетевым напряжением содержит (фиг.3) формирователь 17 импульсов, пороговый элемент с релейной характеристикой 18, логический элемент 19, элемент 20 задания величины параметра абсолютного скольжения.

Формирователь 8 параметра абсолютного скольжения содержит (фиг.4) масштабирующий элемент 21 и квадратурный формирователь 22.

Устройство для формирования гармонического сигнала работает следующим образом. На вход блока 1 управления поступает сигнал от внешнего задатчика интенсивности (ЗИ). В зависимости от величины сигнала с блока управления генератор 2 переменной частоты вырабатывает прямоугольные импульсы с частотой от 0 до сотен килогерц. Импульсы поступают на счетчик 3, который может работать в режимах сложения и вычитания. В цифровых блоках 11 и 12 формирования тригонометрических функций предварительно записаны двоичные кодовые комбинации, соответствующие дискретным значениям sinα и cosα в интервале α 0-360°, при этом нуль и максимально возможное заполнение разрядов счетчика 3 соответствует границам указанного интервала α. На выходы цифровых блоков 11 и 12 при непрерывной работе счетчика 3 непрерывно поступают двоичные коды функций sinα и cosα в интервале α 0-360°. Частота повторения сигнала пропорциональна частоте следования импульсов с выхода генератора 2 переменной частоты. Сигналы функции sinα поступают на четвертый вход блока 13 координатных преобразований сигнала управления напряжением и на второй вход блока 14 координатных преобразований сигнала управления направлением тока. Сигналы функции cosα поступают на третий вход блока 13 координатных преобразований сигнала управления напряжением и на первый вход блока 14 координатных преобразований сигнала управления направлением тока. На первый и второй входы блока 13 поступают сигналы с выходов блока 9 вычисления заданных значений напряжений. Все четыре входных сигнала блока 13 участвуют в координатных преобразованиях в канале управления напряжением. Выходные сигналы блока 13, сдвинутые по фазе на 90°, по первому варианту образуют двухфазную систему сигналов U_α и U_β управления напряжением. Кроме того, по второму варианту выходные сигналы блока 13, сдвинутые по фазе на 90°, поступают на входы блока 15, в которых происходит фазовое преобразование с формированием симметричной системы трехфазных сигналов Ua, Ub, Uc управления напряжением, сдвинутых по фазе на 120°.

Аналогичным образом работает канал управления направлением тока. На первый и второй входы блока 14 поступают сигналы с выходов блока 10 вычисления заданных значений токов. Все четыре входных сигнала блока 14 участвуют в координатных преобразованиях в канале управления направлением тока. Выходные сигналы блока 14, сдвинутые по фазе на 90°, по первому варианту образуют двухфазную систему сигналов I_α и I_β управления направлением тока. Кроме того, по второму варианту выходные сигналы блока 14, сдвинутые по фазе на 90°, поступают на входы блока 16, в которых происходит фазовое преобразование с формированием симметричной системы трехфазных сигналов Ia, Ib, Ic управления направлением тока, сдвинутых по фазе на 120°.

На первый вход блока 9 вычисления заданных значений напряжений поступает сигнал с блока 1 управления, на второй - сигнал параметра абсолютного скольжения при синхронизации, на третий - сигнал параметра абсолютного скольжения, который вычисляется блоком 6 или формируется блоком 8 по заданному закону. Переключатель 7 позволяет соединять третий вход блока 9 вычисления заданных значений напряжений и второй вход блока 10 вычисления заданных значений токов с выходами блоков 6 или 8.

Сигналы от импульсного датчика положения ротора (ИДПР), проходя через блок 5 вычисления скорости, поступают на второй вход блока 6 вычисления параметра абсолютного скольжения, на первый вход которого приходит сигнал от блока 1 управления.

Для обеспечения режима синхронизации с сетью введен блок 4, на первый вход которого приходит информационный сигнал с фазы сетевого напряжения, а на второй вход поступает сигнал с блока 1 управления. При достижении формируемыми гармоническими сигналами частоты, близкой к частоте сети, на первом выходе блока 4 появляются импульсы прямоугольной формы миллисекундной длительности с частотой сетевого напряжения, которые поступают на первый вход счетчика 3 и осуществляют его принудительный сброс в моменты смены полярности сетевым напряжением с отрицательной на положительную. На втором выходе блока 4 в момент синхронизации появляется постоянный сигнал, полярность которого зависит от полярности сигнала на выходе блока 1 управления. Этот сигнал поступает на второй вход блока 9 вычисления заданных значений напряжений и на первый вход блока 10 вычисления заданных значений токов.

Таким образом, устройство позволяет получить по первому варианту две весьма точные, согласованные друг с другом симметричные двухфазные и по второму варианту - трехфазные системы синусоидальных сигналов с плавно регулируемой частотой и амплитудой сигнала в диапазоне от 0 до сотен килогерц и возможностью изменения порядка чередования фаз.

Устройство по п.1, 2 блок 4 синхронизации с сетевым напряжением (фиг.3) работает следующим образом. На вход формирователя 17 импульсов поступает информационный сигнал с фазы сетевого напряжения, пороговый элемент 18 с релейной характеристикой изменяет свой выходной сигнал, когда величина сигнала на его входе достигла или превысила значение порогового уровня срабатывания и возвращается в исходное состояние, если уровень сигнала на его входе ниже уровня отпускания. Сигналы с выходов блоков 17 и 18 поступают на первый и второй входы элемента 19, выполняющего операцию логического умножения, выходной сигнал которого определяет моменты обнуления счетчика 3. Кроме этого, сигналы с выхода порогового элемента 18 поступают на вход элемента 20 задания величины параметра абсолютного скольжения, на выходе которого устанавливается постоянный сигнал в момент синхронизации с сетевым напряжением.

Устройство по п.1, 2 блок 8 формирования параметра абсолютного скольжения (фиг.4) работает следующим образом. Сигнал с выхода блока 1 управления через масштабирующий элемент 21 поступает в квадратурный формирователь 22, выполненный на основе аналогового перемножителя, в результате на выходе формируется квадратичная зависимость параметра абсолютного скольжения в функции сигнала задания блока 1. Таким образом, формирователь 22 может быть использован в бездатчиковом варианте работы.

Таким образом, устройство позволяет осуществлять векторное управление электроприводом с формированием двух согласованных друг с другом симметричных двухфазных (по первому варианту) или трехфазных (по второму варианту) систем синусоидальных сигналов с плавно регулируемой частотой и возможностью изменения порядка чередования фаз. Кроме этого, устройство обеспечивает длительную и устойчивую работу электропривода на частоте питающей сети благодаря наличию режима синхронизации. А также устройство позволяет работать в режиме без датчика скорости благодаря введению дополнительного узла формирования параметра абсолютного скольжения.

Блоки 1, 2, 3 могут быть реализованы на базе микросхем серий К555, К1108, блоки 4-10 и 13-16 могут быть реализованы на базе микросхем серии К1401, блоки 11 и 12 могут быть реализованы на базе микросхем серии К572.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №813798, кл. Н 03 L 7/16, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР №1019579, кл. Н 03 В 27/00, 1983 (прототип).

1. Устройство для формирования гармонического сигнала, содержащее блок управления, генератор переменной частоты, счетчик, отличающееся тем, что снабжено первым и вторым цифровыми блоками формирования тригонометрических функций, блоком координатных преобразований сигнала управления напряжением, блоком координатных преобразований сигнала управления направлением тока, блоком вычисления заданных значений напряжений, блоком вычисления заданных значений токов, блоком вычисления скорости двигателя, блоком вычисления параметра абсолютного скольжения, переключателем, блоком синхронизации с сетевым напряжением и блоком формирования параметра абсолютного скольжения, выход блока управления подключен ко входу генератора переменной частоты, выход которого соединен со вторым входом счетчика, первый вход счетчика подсоединен к первому выходу блока синхронизации с сетевым напряжением, первый вход которого является информационным входом сетевого напряжения, второй вход соединен с выходом блока управления, первый вход блока вычисления параметра абсолютного скольжения подключен к выходу блока управления, второй вход блока вычисления параметра абсолютного скольжения соединен с выходом блока вычисления скорости двигателя, выход блока вычисления параметра абсолютного скольжения подключен к первому входу переключателя, второй вход которого соединен с выходом блока формирования параметра абсолютного скольжения, вход которого соединен с выходом блока управления, выход переключателя подключен к третьему входу блока вычисления заданных значений напряжений, а также ко второму входу блока вычисления заданных значений токов, первый вход которого соединен со вторым выходом блока синхронизации с сетевым напряжением, выход блока управления соединен с первым входом блока вычисления заданных значений напряжений, второй вход которого подключен ко второму выходу блока синхронизации с сетевым напряжением, выход счетчика подключен ко входам первого и второго цифровых блоков формирования тригонометрических функций, выход первого цифрового блока формирования тригонометрической функции соединен с четвертым входом блока координатных преобразований сигнала управления напряжением и со вторым входом блока координатных преобразований сигнала управления направлением тока, выход второго цифрового блока формирования тригонометрической функции подключен к третьему входу блока координатных преобразований сигнала управления напряжением и к первому входу блока координатных преобразований сигнала управления направлением тока, первый и второй выходы блока вычисления заданных значений напряжений соединены с первым и вторым входами блока координатных преобразований сигнала управления напряжением, первый и второй выходы блока вычисления заданных значений токов подключены соответственно к третьему и четвертому входам блока координатных преобразований сигнала управления направлением тока.

2. Устройство для формирования гармонического сигнала, содержащее последовательно соединенные блок управления, генератор переменной частоты, счетчик, отличающееся тем, что снабжено первым и вторым цифровыми блоками формирования тригонометрических функций, блоком координатных преобразований сигнала управления напряжением, блоком координатных преобразований сигнала управления направлением тока, блоком фазовых преобразований сигнала управления напряжением, блоком фазовых преобразований сигнала управления направлением тока, блоком вычисления заданных значений напряжений, блоком вычисления заданных значений токов, блоком вычисления скорости двигателя, блоком вычисления параметра абсолютного скольжения, переключателем, блоком синхронизации с сетевым напряжением и блоком формирования параметра абсолютного скольжения, выход блока управления подключен ко входу генератора переменной частоты, выход которого соединен со вторым входом счетчика, первый вход счетчика подсоединен к первому выходу блока синхронизации с сетевым напряжением, первый вход которого является информационным входом сетевого напряжения, второй вход соединен с выходом блока управления, первый вход блока вычисления параметра абсолютного скольжения подключен к выходу блока управления, второй вход блока вычисления параметра абсолютного скольжения соединен с выходом блока вычисления скорости двигателя, выход блока вычисления параметра абсолютного скольжения подключен к первому входу переключателя, второй вход которого соединен с выходом блока формирования параметра абсолютного скольжения, вход которого соединен с выходом блока управления, выход переключателя подключен к третьему входу блока вычисления заданных значений напряжений, а также ко второму входу блока вычисления заданных значений токов, первый вход которого соединен со вторым выходом блока синхронизации с сетевым напряжением, выход блока управления соединен с первым входом блока вычисления заданных значений напряжений, второй вход которого подключен ко второму выходу блока синхронизации с сетевым напряжением, выход счетчика подключен ко входам первого и второго цифровых блоков формирования тригонометрических функций, выход первого цифрового блока формирования тригонометрической функции соединен с четвертым входом блока координатных преобразований сигнала управления напряжением и со вторым входом блока координатных преобразований сигнала управления направлением тока, выход второго цифрового блока формирования тригонометрической функции подключен к третьему входу блока координатных преобразований сигнала управления напряжением и к первому входу блока координатных преобразований сигнала управления направлением тока, первый и второй выходы блока вычисления заданных значений напряжений соединены с первым и вторым входами блока координатных преобразований сигнала управления напряжением, первый и второй выходы блока вычисления заданных значений токов подключены соответственно к третьему и четвертому входам блока координатных преобразований сигнала управления направлением тока, первый и второй выходы блока координатных преобразований сигнала управления напряжением соединены с первым и вторым входами блока фазовых преобразований сигнала управления напряжением, первый и второй выходы блока координатных преобразований сигнала управления направлением тока подключены к первому и второму входам блока фазовых преобразований сигнала управления направлением тока.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок синхронизации с сетевым напряжением содержит формирователь импульсов, информационный вход которого является первым входом блока, второй вход блока соединен со входом порогового элемента с релейной характеристикой, выход которого подключен ко второму входу логического элемента, первый вход которого соединен с выходом формирователя импульсов, выход логического элемента является первым выходом блока, а также подключен ко входу элемента, задающего величину параметра абсолютного скольжения при синхронизации, выход которого является вторым выходом блока.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок формирования параметра абсолютного скольжения содержит последовательно соединенные масштабирующий элемент и квадратурный формирователь, выход которого является выходом блока.