УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КОММУТАЦИИ КОЛЛЕКТОРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН Российский патент 1998 года по МПК H02K13/14 

Заявляемое устройство относится к электромашиностроению, а конкретно к коллекторным электрическим машинам различной мощности, в частности электрическим машинам, используемым в электроприводах постоянного тока с широким диапазоном регулирования скорости за счет изменения потока возбуждения машины при питании обмотки возбуждения от управляемого преобразователя.

Известны устройства для улучшения коммутации коллекторных электрических машин [1, 2], в которых для повышения коммутационной устойчивости используют вспомогательные обмотки, размещенные на полюсных наконечниках добавочных полюсов.

Недостатками этих устройств являются усложнение технологии изготовления машин, невозможность обеспечения высокого качества процесса коммутации в широком диапазоне регулирования скорости.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является устройство [3] для улучшения коммутации коллекторных электрических машин, содержащее управляемый преобразователь, подключенный к обмотке добавочных полюсов, регулятор, выход которого соединен с входом управляемого преобразователя, датчик добавочного тока коммутации, подключенный к входу регулятора.

Недостатками этого устройства, принятого за прототип, является сложность настройки на середину зоны безыскровой коммутации, а также низкая стабильность процесса коммутации в переходных процессах, связанных с изменением скорости двигателя за счет изменения потока. Последний недостаток связан с тем, что при изменении потока возбуждения устройство начинает отрабатывать это воздействие только после того, как процесс коммутации отклонится от заданного. Кроме того, устройство-прототип обеспечивает настройку машины только на прямолинейную коммутацию, тогда как во многих случаях предпочтительной является ускоренная коммутация [4, с. 121], а в некоторых случаях, например при исследовании коммутационной способности машины, может оказаться необходимой настройка машины на замедленную коммутацию.

Новые положительные свойства заявляемого устройства достигаются благодаря тому, что в устройство для улучшения коммутации коллекторной электрической машины, содержащее задатчик и датчик тока возбуждения, выходы которых соединены через первый узел сравнения с регулятором тока возбуждения, обмотку возбуждения коллекторной электрической машины, подключенную к выходу первого управляемого преобразователя, вход которого соединен с выходом регулятора тока возбуждения, задатчик и датчик добавочного тока коммутации, выходы которых соединены через второй узел сравнения с регулятором добавочного тока коммутации, а также обмотку добавочных полюсов коллекторной электрической машины, подключенную к выходу второго управляемого преобразователя введены регулятор, задатчик и датчик тока подпитки обмотки добавочных полюсов, узел суммирования, нелинейный элемент и корректирующее звено, входы узла суммирования подключены к выходам регулятора добавочного тока коммутации, корректирующего звена, задатчика и датчика тока подпитки обмотки добавочных полюсов, выход узла суммирования через регулятор тока подпитки обмотки добавочных полюсов соединен с входом второго управляемого преобразователя, выход задатчика тока возбуждения через нелинейный элемент соединен с входом корректирующего звена, при этом корректирующее звено выполнено в виде операционного усилителя, в цепь обратной связи которого включены параллельно соединенные резистор и конденсатор, регулятор тока подпитки добавочных полюсов и регулятор добавочного тока коммутации выполнены в виде операционных усилителей с последовательно включенным резистором и конденсатором в цепи обратной связи, нелинейный элемент выполнен в виде операционного усилителя, в цепь обратной связи которого включены параллельно соединенные резистор и диод, а вход операционного усилителя дополнительно соединен с источником напряжения смещения.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о том, что заявляемое устройство для улучшения коммутации коллекторной машины отличается наличием новых блоков и связей: нелинейного элемента, корректирующего звена, узла суммирования, регулятора, задатчика и датчика тока подпитки обмотки добавочных полюсов, а также связями между этими блоками. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".

Применение заявляемого устройства позволяет простыми средствами обеспечить настройку коллекторной машины на желаемый характер коммутации и стабилизацию требуемого характера коммутации при действии на нее различных возмущений.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для улучшения коммутации; на фиг. 2 - упрощенная электрическая схема устройства для улучшения коммутации.

Устройство для улучшения коммутации (фиг. 1) содержит: коллекторную электрическую машину с обмоткой 1 якоря, обмоткой 2 возбуждения и обмоткой 3 добавочных полюсов; первый управляемый преобразователь 4; датчик 5 тока возбуждения; первый узел 6 сравнения; регулятор 7 тока возбуждения; задатчик 8 тока возбуждения; второй управляемый преобразователь 9; регулятор 10 и датчик 11 тока подпитки обмотки 3 добавочных полюсов; узел 12 суммирования; регулятор 13 добавочного тока коммутации; датчик 14 добавочного тока (или ЭДС) коммутации; задатчик 15 добавочного тока коммутации; второй узел 16 сравнения; задатчик 17 тока подпитки обмотки 3 добавочных полюсов; нелинейный элемент 18; корректирующее звено 19.

Выход первого узла 6 сравнения через регулятор 7 тока возбуждения и первый управляемый преобразователь 4 соединен с обмоткой возбуждения 2 коллекторной электрической машины.

Входы первого узла 6 сравнения соединены с выходами датчика 5 тока возбуждения и задатчика 8 тока возбуждения.

Выход узла 12 суммирования через регулятор 10 тока подпитки обмотки 3 добавочных полюсов и второй управляемый преобразователь 9 соединен с обмоткой 3 добавочных полюсов коллекторной электрической машины.

Входы узла 12 суммирования подключены к выходу датчика 11 и задатчика 17 тока подпитки обмотки 3 добавочных полюсов, а также к выходу регулятора 13 добавочного тока коммутации и корректирующего звена 19.

Вход регулятора 13 добавочного тока коммутации соединен с выходом второго узла 16 сравнения, входы которого подключены к выходу задатчика 15 и датчика 14 добавочного тока коммутации. Вход корректирующего звена 19 через нелинейный элемент 18 соединен с выходом задатчика 8 тока возбуждения.

Корректирующее звено выполнено в виде операционного усилителя, в цепь обратной связи которого включены параллельно соединенные резистор и конденсатор, что обеспечивает ему инерционные свойства. Регулятор тока подпитки добавочных полюсов и регулятор добавочного тока коммутации выполнены в виде операционных усилителей с последовательно включенным резистором и конденсатором в цепи обратной связи и обладают благодаря этому свойствами пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора. Нелинейный элемент выполнен в виде операционного усилителя, в цепь обратной связи которого включены параллельно соединенные резистор и диод, а вход операционного усилителя дополнительно соединен с источником напряжения смещения.

Благодаря указанным связям блоков заявляемое устройство содержит три замкнутых контура регулирования.

Первый замкнутый контур образован обмоткой 2 возбуждения, датчиком 5 тока возбуждения, первым узлом 6 сравнения, регулятором 7 тока возбуждения и первым управляемым преобразователем 4. Этот контур обеспечивает стабилизацию тока возбуждения на задаваемом уровне. Использование такого контура характерно для современных приводов с регулированием скорости за счет ослабления потока возбуждения. Причем в двухзонных электроприводах [5] в качестве сигнала задания на этот контур поступает результирующий сигнал, формируемый в результате алгебраического суммирования сигналов задания номинального тока возбуждения и сигналов жесткой и гибкой отрицательной обратной связи по напряжению (или ЭДС) на якоре. Поэтому при использовании заявляемого устройства в двухзонных приводах в качестве блока 8 используется сумматор, на входы которого подаются указанные сигналы.

Второй замкнутый контур состоит из обмотки 3 добавочных полюсов, датчика 11 тока подпитки обмотки 3 добавочных полюсов, узла 12 суммирования, регулятора 10 тока подпитки обмотки 3 добавочных полюсов и второго управляемого преобразователя 9. Второй замкнутый контур представляет собой контур управления током подпитки обмотки 3 добавочных полюсов. Задающий сигнал U_зд для этого контура формируется как алгебраическая сумма выходных напряжений U₁₇ - задатчика 17 тока подпитки обмотки 3 добавочных полюсов, U₁₃ - регулятора 13 добавочного тока коммутации и U₁₉ - корректирующего звена 19:
U_зд = U₁₇ + U₁₃ - U₁₉(1).

В состав третьего замкнутого контура входит в виде внутреннего контура второй, указанный выше замкнутый контур управления током подпитки обмотки 3 дополнительных полюсов, а также второй узел 16 сравнения регулятор 13 и датчик 14 добавочного тока коммутации. Третий замкнутый контур является внешним по отношению к второму. Поэтому процессы во втором, внутреннем контуре регулирования подчинены процессам в третьем внешнем контуре. Третий замкнутый контур обеспечивает стабилизацию заданного значения добавочного тока коммутации на уровне, задаваемом задатчиком 15 добавочного тока коммутации.

Устройство для улучшения коммутации настраивается и работает следующим образом.

В реальной коллекторной машине из-за погрешностей расчета и изготовления характер коммутации, как правило, отличается от требуемого. Требуемый характер коммутации для конкретных условий работы коллекторной электрической машины может быть достигнут за счет создания тока подпитки (положительного или отрицательного) в обмотке 3 добавочных полюсов [4, с. 138-140].

При настройке отключают выход датчика 14 и задатчика 15 добавочного тока коммутации от второго узла 16 сравнения и устанавливают величину напряжения задатчика 17 тока подпитки обмотки 3 добавочных полюсов, а следовательно, и ток подпитки так, чтобы электрическая машина работала на середине зоны безыскровой коммутации.

Правильность настройки оценивают по величине сигнала на выходе датчика 14 добавочного тока коммутации. При требуемой настройке напряжение U₁₄ на выходе указанного датчика должно быть равно нулю. После указанной настройки выходы датчика 14 и задатчика 15 добавочного тока коммутации вновь подсоединяют к входу второго узла 16 сравнения.

При номинальном токе возбуждения напряжение U₁₉, поступающее на вход узла 12 суммирования от задатчика 8 тока возбуждения через нелинейный элемент 18 и корректирующее звено 19, равно нулю: U₁₉=0.

Настройка задатчика 15 добавочного тока коммутации зависит от желаемого характера коммутации.

В случае желаемой настройки на прямолинейную коммутацию напряжение U₁₅ задатчика 15 добавочного тока коммутации устанавливается равным нулю. При этом, как указано выше, равно нулю и напряжение U₁₄ на выходе датчика 14 добавочного тока коммутации. Напряжение U₁₆ на выходе второго узла 16 сравнения
U₁₆ = U₁₅ - U₁₄(2)
также равно нулю. Поэтому равно нулю и напряжение U₁₃ на выходе регулятора 13 добавочного тока коммутации. А задающий сигнал U_зд на входе второго замкнутого контура управления, в соответствии с выражением (1), равен напряжения U₁₇ задатчика 17 тока подпитки обмотки 3 добавочных полюсов.

Второй замкнутый контур, как и любая замкнутая система, работает в режиме стабилизации выходной величины (в данном случае тока подпитки обмотки 3 добавочных полюсов) на уровне, соответствующем задающему сигналу U_зд.

Процесс стабилизации тока подпитки (для определенности будем считать его положительным) протекает следующим образом.

Если ток подпитки начинает уменьшаться, например, вследствие увеличения сопротивления обмотки 3 добавочных полюсов при нагреве, то уменьшается напряжение U₁₁ на выходе датчика 11 тока подпитки обмотки 3 добавочных полюсов, а сигнал на выходе узла 12 суммирования
U₁₂ = U_зд - U₁₁(3),
увеличивается.

В результате напряжение на выходе регулятора 10 тока подпитки обмотки 3 добавочных полюсов и напряжение на выходе второго управляемого преобразователя 9 возрастают, и ток подпитки обмотки 3 добавочных полюсов начинает увеличиваться, стремясь к заданному значению.

В случае отклонения тока подпитки в сторону увеличения, например, из-за возрастания выходного напряжения второго управляемого преобразователя 9 при повышении питающего сетевого напряжения, напряжение U₁₁ датчика 11 тока подпитки возрастает, напряжение U₁₂ на выходе узла 12 суммирования, согласно выражению (3), уменьшается, снижаются напряжение на выходе регулятора 10 тока подпитки обмотки 3 добавочных полюсов и напряжение на выходе второго управляемого преобразователя 9. В результате ток подпитки обмотки 3 добавочных полюсов начинает уменьшаться, стремясь к заданному значению.

Таким образом, рассматриваемый замкнутый контур обеспечивает стабилизацию тока подпитки обмотки 3 добавочных полюсов, причем стабилизируемая величина тока подпитки определяется величиной задающего сигнала U_зд.

Регулятор 10 тока подпитки добавочных полюсов выполнен в виде ПИ-регулятора. Наличие пропорциональной составляющей в выходном сигнале ПИ-регулятора позволяет скомпенсировать постоянную времени обмотки 3 добавочных полюсов и обеспечить высокое быстродействие рассмотренного замкнутого контура в переходных процессах, а наличие интегральной составляющей - получить высокую точность стабилизации тока подпитки в установившихся режимах.

В случае отклонения процесса коммутации от установленной при настройке прямолинейной вследствие действия возмущений, не подавляемых вторым замкнутым контуром, например, при изменении скорости или возрастании нагрузки на коллекторную электрическую машину, стабилизация заданного режима достигается за счет работы третьего замкнутого внешнего контура.

Если, например, коммутация (при заданной прямолинейной) приобретает характер ускоренной, то возрастает напряжение U₁₄ на выходе датчика 14 добавочного тока коммутации. Сигнал U₁₆ на выходе второго узла 16 сравнения, согласно выражению (2), уменьшается, что приводит к снижению напряжения U₁₃ на выходе регулятора 13 добавочного тока коммутации. При этом, в соответствии с выражением (1), уменьшается задающее напряжение U_зд на входе второго внутреннего контура. В результате ток подпитки в обмотке 3 дополнительных полюсов начинает уменьшаться, и восстанавливается заданный процесс коммутации.

Если же процесс коммутации отклоняется в сторону замедленной, то напряжение U₁₄ уменьшается (становится отрицательным), напряжение U₁₆, в соответствии с выражением (2), увеличивается; в итоге, аналогично изложенному выше, ток подпитки в обмотке 3 дополнительных полюсов начинает увеличиваться, и восстанавливается заданный процесс коммутации.

В качестве регулятора 13 добавочного тока коммутации использован ПИ-регулятор, что обеспечивает высокую точность стабилизации добавочного тока коммутации в установившихся и переходных режимах.

Предлагаемое устройство позволяет, наряду с настройкой коллекторной электрической машины на прямолинейную коммутацию, обеспечить настройку на другие виды коммутации.

Например, для настройки на ускоренную коммутацию, что в некоторых случаях предпочтительно по сравнению с прямолинейной коммутацией [4 с. 138-140] , значение напряжения U₁₅ на выходе задатчика 15 дополнительного тока коммутации устанавливают большим (положительным), чем в при настройке на прямолинейную коммутацию. При этом третий внешний контур аналогично тому, как описано выше, обеспечивает стабилизацию добавочного тока коммутации на заданном положительном уровне. Коммутация при этом носит характер ускоренной, а степень ускорения пропорциональна значению напряжения U₁₅ задатчика 15 добавочного тока коммутации.

В случае необходимости создания замедленной коммутации (например, для исследования характеристик машины) задатчиком 15 добавочного тока коммутации устанавливают меньшее (отрицательное), чем при прямолинейной коммутации значение напряжения U₁₅. В результате третий внешний контур обеспечивает, аналогично предыдущему, стабилизацию добавочного тока коммутации на заданном отрицательном уровне, что соответствует замедленной коммутации.

Одним из основных возмущений, вызывающих отклонения процесса коммутации от заданного, является изменение тока возбуждения. В известных устройствах при резких изменениях сигнала задатчика тока возбуждения возникают переходные процессы, в течение которых коммутация машины может резко отличаться от желаемой.

В прелагаемом устройстве подобные процессы исключены благодаря введению связи между задатчиков 8 тока возбуждения и узлом 12 суммирования через нелинейный элемент 18 и корректирующее звено 19. Эта связь работает следующим образом.

При ослаблении потока возбуждения электрической машины для сохранения заданного характера коммутации необходимо уменьшить ток подпитки обмотки 3 добавочных полюсов. В заявляемом устройстве это происходит автоматически. При номинальном потоке возбуждения напряжение на выходе нелинейного элемента 18 и корректирующего звена 19 равны нулю, и рассматриваемая связь не влияет на работу устройства. В случае уменьшения напряжения задатчика 8 тока возбуждения появляется напряжение U₁₈ на выходе нелинейного элемента и напряжение U₁₉ на выходе корректирующего звена 19. В результате, согласно выражению (1), уменьшается задающий сигнал U_зд на входе второго замкнутого контура, и, соответственно, снижается ток подпитки обмотки 3 добавочных полюсов. При этом сохраняется заданный характер коммутации.

В случае резкого, например, скачкообразного изменения напряжения на выходе задатчика 8 тока возбуждения ток в обмотке 2 возбуждения и поток возбуждения изменяются инерционно, вследствие инерционности обмотки возбуждения 2. Таким же образом должен изменяться дополнительный ток в обмотке 3 добавочных полюсов. Нужный темп изменения тока подпитки обмотки 3 добавочных полюсов в подобных переходных процессах достигается в предлагаемом устройстве благодаря введению в схему инерционного корректирующего звена 19.

Реализацию отдельных блоков устройства поясняет упрощенная электрическая схема на фиг. 2.

Датчик 5 тока возбуждения выполнен в виде шунта RS1, включенного в цепь обмотки возбуждения. Первый узел 6 сравнения и регулятор 7 тока возбуждения реализован на операционном усилителе DA1. Напряжения задатчика 8 и датчика 5 ток возбуждения поступают через резисторы R7 и R6 и сравниваются на входе операционного усилителя DA1. Для придания усилителю свойств ПИ-регулятора он охвачен отрицательной обратной связью с помощью резистора R8 и конденсатора C2. Задатчик тока возбуждения выполнен на потенциометре RP1.

Регуляторы 10, 13 тока подпитки обмотки 3 добавочных полюсов и добавочного тока коммутации реализованы на операционных усилителях DA5 и DA4, соответственно. Пропорционально-интегральные свойства этих регуляторов достигаются введением в цепи их отрицательных обратных связей элементов R16, C4 и R11, C3. Узел суммирования 12 выполнен на операционном усилителе DA5. На его входе с помощью резисторов R12, R13, R14, R15 алгебраически суммируются сигналы, соответственно, корректирующего звена 19, регулятора 13 добавочного тока коммутации, задатчика 17 и датчика 11 тока подпитки обмотки 3 добавочных полюсов. Задатчик 17 тока подпитки выполнен в виде потенциометра RP4, а датчик 11 тока подпитки - в виде шунта RS2, включенного в выходную цепь второго управляемого преобразователя 9.

Задатчик 15 добавочного тока коммутации выполнен на потенциометре RP3. Изменение полярности напряжения, снимаемого с этого потенциометра осуществляется переключателем SA. Датчик 14 дополнительного тока коммутации реализован по известным схемам, (см. например [6]). Сравнение напряжений задатчика 15 и датчика 14 добавочного тока коммутации осуществляется на входе операционного усилителя DA4 с помощью резисторов R9 и R10.

Нелинейный элемент 18 реализован на операционном усилителе DA1. На вход этого усилителя через резисторы R1 и R2 подается напряжение U₈ с задатчика 8 тока возбуждения и напряжение U_RP2 с потенциометра RP2. Причем эти напряжения имеют противоположные знаки. В цепи обратной связи усилителя DA1 параллельно резистору R3 включен диод VD. Если напряжение U₈ больше модуля напряжения U_RP2 (сопротивления резисторов R1 и R2 выбраны одинаковыми), то диод VD находится в проводящем состоянии, и напряжение на выходе операционного усилителя DA1 равно нулю. При наладке значение напряжения U_RP2 устанавливается равным по модулю значению напряжения U₈ на выходе задатчика 8 тока возбуждения при номинальном возбуждении электрической машины. Т.е. при заданном номинальном возбуждении напряжение на выходе нелинейного элемента 18 и, соответственно, корректирующего звена 19 равно нулю.

При ослаблении потока возбуждения (уменьшении напряжения U₈) появляется напряжение на выходе нелинейного элемента 18, пропорциональное ослабление потока возбуждения. Это напряжение через корректирующее звено 19 поступает на вход узла 12 суммирования, что, как описано выше, обеспечивает высокую точность поддержания заданного режима коммутации в переходных процессах. Корректирующее звено 19, как указано выше, представляет собой инерционное звено. Оно выполнено на операционном усилителе DA2. Для придания требуемых инерционных свойств в цепь обратной связи DA2 включен резистор R5 и конденсатор C1.

В качестве управляемых преобразователей 4, 5 в устройстве могут быть использованы тиристорные или транзисторные преобразователи, выполненные по известным схемам, описанным, например, в [7].

Таким образом, благодаря введению в предлагаемое устройство новых блоков при его использовании упрощается настройка коллекторной электрической машины на желаемый характер коммутации. Кроме того, заявляемое устройство обеспечивает точное поддержание заданного характера коммутации в установившихся и переходных процессах, связанных как с изменением нагрузки машины, так и с изменением ее скорости за счет ослабления потока возбуждения.

Источники информации
1. Авт.св. СССР N 1069079, 1984, Бюл. N 3.

2. Авт.св. СССР N 1092667, 1984, Бюл. N 18.

3. Авт.св. СССР N 1029339, 1983, Бюл. N 26.

4. Вольдек А.И. Электрические машины. - Л.: Энергия. 1978.

5. Чернов Е.А., Кузьмин В.П. Комплектные электроприводы станков с ЧПУ. - Горький: Волго-Вятское кн. изд.-во, 1989. с. 78-81.

6. Авт.св. СССР N 817877, 1981, Бюл. N 12.

7. Сабинин Ю.А. Электромашинные устройства автоматики. - Л.: Энергоатомиздат. 1988.

Устройство используется в электромашиностроении для улучшения коммутации коллекторных электрических машин. В устройство введены регулятор, датчик и задатчик тока подпитки обмотки добавочных полюсов, а также узел суммирования, нелинейный элемент и корректирующее звено, при этом входы узла суммирования подключены к выходу регулятора добавочного тока коммутации корректирующего звена, задатчика и датчика тока подпитки обмотки добавочных полюсов, выход узла суммирования через регулятор тока подпитки обмотки добавочных полюсов соединен с входом второго управляемого преобразователя, а выход задатчика тока возбуждения через нелинейный элемент соединен с входом корректирующего звена. Это позволяет обеспечить настройку желаемого характера коммутации и его стабилизацию в широком диапазоне регулирования скорости и изменения нагрузки. 2 ил.

Устройство для улучшения коммутации коллекторных электрических машин, содержащее задатчик и датчик тока возбуждения, выходы которых соединены через первый узел сравнения с регулятором тока возбуждения, обмотку возбуждения коллекторной электрической машины, подключенную к выходу первого управляемого преобразователя, вход которого соединен с выходом регулятора тока возбуждения, задатчик и датчик добавочного тока коммутации, выходы которых соединены через второй узел сравнения с регулятором добавочного тока коммутации, а также обмотку добавочных полюсов коллекторной электрической машины, подключенную к выходу второго управляемого преобразователя, отличающееся тем, что в него введены регулятор, задатчик и датчик тока подпитки обмотки добавочных полюсов, узел суммирования, нелинейный элемент и корректирующее звено, входы узла суммирования подключены к выходам регулятора добавочного тока коммутации, корректирующего звена, задатчика и датчика тока подпитки обмотки добавочных полюсов, выход узла суммирования через регулятор тока подпитки обмотки добавочных полюсов соединен со входом второго управляемого преобразователя, выход задатчика тока возбуждения через нелинейный элемент соединен со входом корректирующего звена, при этом корректирующее звено выполнено в виде операционного усилителя, в цепь обратной связи которого включены резистор и конденсатор, регулятор тока подпитки добавочных полюсов и регулятор добавочного тока коммутации выполнены в виде операционных усилителей с последовательно включенным резистором и конденсатором в цепи обратной связи, нелинейный элемент выполнен в виде операционного усилителя, в цепь обратной связи которого включены параллельно соединенные резистор и диод, а на вход операционного усилителя дополнительно подают напряжение с потенциометра.