СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКОМ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2000 года по МПК H02P5/06 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в тиристорных электроприводах постоянного тока с двухзонным регулированием скорости, работающих с ударным изменением нагрузки, в частности, в электроприводах непрерывных станов горячей прокатки.

Известен способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока в системе двухзонного регулирования скорости в функции ЭДС электродвигателя, по которому задание ЭДС при значениях напряжения электродвигателя, меньших номинального, сохраняют на уровне, ограниченном условиями динамического запаса по напряжению тиристорного преобразователя, а при больших напряжениях снижают указанное задание пропорционально превышению величины действительного значения напряжения электродвигателя над заданным, поддерживая постоянство напряжения на зажимах электродвигателя (см. авт. св. СССР N 617798, МКИ H 02 P 5/06).

Недостатком известного способа является необходимость поддержания значительного запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, питающего якорную цепь электродвигателя, выбираемого исходя из условия обеспечения безаварийной работы и требуемого качества регулирования скорости при работе электродвигателя в динамических режимах при максимальной нагрузке. Это связано с тем, что быстродействие двухконтурной системы регулирования ЭДС по каналу обмотки возбуждения примерно на порядок ниже быстродействия двухконтурной системы регулирования скорости по каналу якорной цепи. Следовательно, при ударном приложении нагрузки нарастание выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя в якорной цепи происходит значительно быстрее, чем снижение задания ЭДС электродвигателя, осуществляемое по каналу обмотки возбуждения, в соответствии с известным способом. Поддержание значительного запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя приводит к снижению коэффициента мощности и ухудшению энергетических характеристик электропривода.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока в системе двухзонного регулирования скорости, по которому заданное значение параметра, регулируемого по цепи возбуждения, при достижении которого начинают ослабление потока возбуждения электродвигателя, устанавливают ниже номинального значения, при ударном приложении нагрузки в режиме ослабления потока возбуждения заданное значение параметра, регулируемого по цепи возбуждения, повышают до номинального уровня, при этом в качестве параметра, регулируемого по цепи возбуждения, принимают ЭДС электродвигателя, а повышение заданного значения параметра, регулируемого по цепи возбуждения, до номинального уровня осуществляют по закону апериодическому первого порядка (см. авт. св. СССР N 892634, МКИ H 02 P 5/06).

Недостатком известного способа является то, что он не позволяет исключить перерегулирование выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя при отработке ударного приложения нагрузки, которое обеспечило бы возможность уменьшения запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя при одновременном сохранении высоких динамических показателей и надежности работы электропривода, а также стабилизацию выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя на номинальном уровне при токе нагрузки, превышающем номинальное значение. Это связано с тем, что в качестве основного (внешнего) параметра, регулируемого по каналу возбуждения, принята ЭДС электродвигателя, следовательно, при работе с ослаблением потока возбуждения осуществляется стабилизация именно этого параметра во всех режимах, в том числе и при отработке ударного приложения нагрузки. Однако это не позволяет осуществить стабилизацию выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, в связи с чем ударное приложение нагрузки сопровождается значительным превышением выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя над установившимся значением (перерегулированием выпрямленной ЭДС), зависящим от величины индуктивности якорной цепи. Величину этого перерегулирования в электроприводах с двухконтурной системой автоматического регулирования скорости определяют по выражению (см. Неймарк В.Е. Методика определения динамического запаса напряжения систем стабилизации скорости электроприводов постоянного тока. - Электротехническая промышленность. Сер. Электропривод. 1971, N 7. С. 15-16):

где L_Э - эквивалентная индуктивность цепи выпрямленного тока;
T_Т - постоянная времени контура тока;
α - отношение постоянных времени контуров скорости и тока;
I_СТ - ток статической нагрузки;
K₁ - коэффициент;
K₁ = 1,4 и K₁ = 1,05- для одно- и двукратноинтегрирующей систем автоматического регулирования скорости соответственно.

Начальное значение параметра, регулируемого по цепи возбуждения (ЭДС электродвигателя), в известном способе устанавливают без учета данного перерегулирования выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя. Автоматическое повышение ЭДС электродвигателя в момент ударного приложения нагрузки по закону апериодическому первого порядка не позволяет исключить данное перерегулирование, а следовательно, снизить запас выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя.

Кроме того, известный способ не позволяет стабилизировать выпрямленную ЭДС тиристорного преобразователя при увеличении тока нагрузки выше номинального значения, которое для рассматриваемого класса электроприводов происходит, например, в режиме разгона электродвигателя под нагрузкой при прокатке с ускорением. Величина тока в данном режиме достигает двух номинальных значений, что приводит к значительному увеличению выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, следовательно, требует увеличения запаса выпрямленной ЭДС. Величина данного запаса составляет 16 - 22%, что приводит к увеличению потребления реактивной мощности и, как следствие, - ухудшению энергетических характеристик электропривода.

Технический результат предлагаемого изобретения - уменьшение запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя за счет исключения ее перерегулирования в режиме ударного приложения нагрузки и стабилизации ее на заданном уровне при увеличении тока нагрузки выше номинального значения.

Технический результат достигается тем, что в известном способе управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока, по которому заданное значение параметра, регулируемого по цепи возбуждения, при достижении которого начинают ослабление потока возбуждения электродвигателя, устанавливают ниже номинального значения, при ударном приложении нагрузки при условии работы электропривода в режиме ослабления потока возбуждения, заданное значение параметра, регулируемого по цепи возбуждения, повышают до номинального уровня, согласно изобретению в качестве параметра, регулируемого по цепи возбуждения, принимают выпрямленную ЭДС тиристорного преобразователя, заданное значение параметра, регулируемого по цепи возбуждения, при достижении которого начинают ослабление потока возбуждения электродвигателя, определяют по зависимости

где E_dH - номинальная выпрямленная ЭДС тиристорного преобразователя;
L_Э - эквивалентная индуктивность цепи выпрямленного тока;
T_Т - постоянная времени контура тока;
α - отношение постоянных времени контуров скорости и тока;
k₁ - коэффициент:
k₁ = 1,4 и k₁ = 1,05 - для одно- и двукратноинтегрирующей систем автоматического регулирования скорости соответственно;
I_CTmax - максимальный ток статической нагрузки,
а повышение заданного значения параметра, регулируемого по цепи возбуждения, до номинального уровня осуществляют по апериодическому закону второго порядка.

Отличительными признаками заявляемого способа являются:
- регулирование по цепи возбуждения выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя;
- определение заданного значения параметра, регулируемого по цепи возбуждения, при достижении которого начинают ослабление потока возбуждения электродвигателя, по зависимости

где E_dH - номинальная выпрямленная ЭДС тиристорного преобразователя;
L_Э - эквивалентная индуктивность цепи выпрямленного тока; T_Т - постоянная времени контура тока;
α - отношение постоянных времени контуров скорости и тока;
k₁ - коэффициент:
k₁ = 1,4 и k₁ = 1,05 - для одно- и двукратноинтегрирующей систем автоматического регулирования скорости соответственно;
I_CTmax - максимальный ток статической нагрузки;
- повышение заданного значения параметра, регулируемого по цепи возбуждения, до номинального уровня по апериодическому закону второго порядка.

Данные отличительные признаки в опубликованных ранее технических решениях не обнаружены.

В заявляемом способе указанные отличительные признаки позволяют установить начальное значение выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя на уровне, который ниже номинального значения выпрямленной ЭДС на величину ее максимального перерегулирования при ударном приложении нагрузки, осуществить повышение выпрямленной ЭДС до номинального уровня по функциональному закону, обеспечивающему отсутствие ее перерегулирования при ударном приложении нагрузки, обеспечить постоянство выпрямленной ЭДС в установившемся режиме при увеличении тока нагрузки выше номинального значения и в результате этого осуществить уменьшение запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока;
на фиг.2 представлена схема функционального преобразователя;
на фиг.3 представлены кривые переходных процессов тока электродвигателя, выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, ЭДС электродвигателя, максимальной выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя (при нулевом угле управления) в режиме ударного приложения нагрузки при применении заявляемого способа;
на фиг.4 - аналогичные зависимости по способу, принятому за прототип.

Способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока реализуется с помощью устройства, приведенного на фиг.1, которое содержит регулятор ЭДС 1, первый вход которого подключен к выходу 2 первого источника задающего напряжения (на схеме не показан), второй вход - к выходу функционального преобразователя 3, а третий - к выходу датчика 4 выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя (на схеме не показан). Первый вход функционального преобразователя 3 через управляемый ключ 5 соединен с его выходом, второй вход - с выходом 2 первого источника задающего напряжения, а третий вход - с выходом 6 второго источника задающего напряжения (на схеме не показан). Управляющий вход управляемого ключа 5 соединен с выходом датчика статического тока 7. В цепь обратной связи регулятора ЭДС 1 включен блок ограничения 8.

Функциональный преобразователь 3 (фиг.2) выполнен на базе операционного усилителя 9 (см., например, Тетельбаум И.М., Шнейдер Ю.Р. Практика аналогового моделирования динамических систем. -М.: Энергоатомиздат, 1987. С. 65). В цепь обратной связи операционного усилителя 9 включены параллельно соединенные конденсатор 10 и резистор 11. На вход операционного усилителя 9 включена цепь, состоящая из последовательно соединенных резисторов 12,13, точка соединения которых с помощью конденсатора 14 подключена к общей точке операционного усилителя 1.

Все остальные элементы, входящие в состав устройства (фиг.1) представляют собой общеизвестные в области электротехники блоки, которые могут быть выполнены с помощью элементов аналоговой блочной системы регуляторов (см. Перельмутер В. М., Сидоренко В.А. Системы управления тиристорными электроприводами постоянного тока. -:М.: Энергоатомиздат, 1988. С. 136).

На фиг.3 и 4 представлены кривые тока I и ЭДС E электродвигателя, выпрямленной ЭДС E_d тиристорного преобразователя и максимальной выпрямленной ЭДС E_do тиристорного преобразователя при нулевом угле управления. Зависимости представлены в функции времени t. Индексами "н" и "max" обозначены соответственно номинальные и максимальные значения параметров. Индекс "ст" соответствует установившимся значениям (в статическом режиме).

Способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока осуществляют следующим образом.

На входы регулятора ЭДС 1 подаются сигнал E_dз задания на выпрямленную ЭДС тиристорного преобразователя с выхода 2 первого источника задающего напряжения и сигнал обратной связи с выхода датчика 4 выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя. На входы функционального преобразователя 3 с выходов 2 и 6 соответственно первого и второго источников задающего напряжения подаются сигнал E_dз и сигнал E_dН, соответствующий номинальному значению выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя. Суммарный сигнал на входах функционального преобразователя 3 равен разности E_dз - E_dH. При отсутствии статической нагрузки (при равенстве нулю сигнала на выходе датчика статического тока 7) ключ 5 замкнут и шунтирует выход функционального преобразователя 3. Его выходной сигнал в этом режиме равен нулю, а величина выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, в соответствии с заданием, устанавливается равной (2), т.е. уменьшается относительно номинального значения на величину максимального перерегулирования выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя при ударном приложении нагрузки:

где L_Э -эквивалентная индуктивность цепи выпрямленного тока;
T_Т - постоянная времени контура тока;
α - отношение постоянных времени контуров скорости и тока;
k₁ - коэффициент: k₁ = 1,4 и K₁ = 1,05 - для одно- и двукратноинтегрирующей систем автоматического регулирования скорости соответственно;
I_СТmax - максимальный ток статической нагрузки;
E_dH - номинальная выпрямленная ЭДС тиристорного преобразователя.

В момент ударного приложения нагрузки появляется сигнал на выходе датчика статического тока 7 и управляемый ключ 5 размыкается. В результате этого изменяется суммарный сигнал задания на входах регулятора ЭДС 1 и выпрямленная ЭДС тиристорного преобразователя повышается до номинального уровня E_dН по функциональному закону апериодическому второго порядка. Регулятор ЭДС 1 поддерживает значение выпрямленной ЭДС равным Ej_dН в течение всего времени работы под нагрузкой независимо от величины нагрузки. При сбросе нагрузки (исчезновении сигнала на выходе датчика статического тока 7) управляемый ключ 5 замыкается, шунтируя тем самым функциональный преобразователь 3. Выходной сигнал функционального преобразователя 3 становится равным нулю и суммарный сигнал задания на входах регулятора ЭДС 1 вновь устанавливается равным начальному заданию E_dз.

При осуществлении заявляемого способа задание выпрямленной ЭДС E_dз (фиг. З) тиристорного преобразователя устанавливается ниже номинальной выпрямленной ЭДС E_dН на величину ΔE_dmax, определяемую по зависимости (1). Ударное приложение нагрузки, происходящее в момент времени t - 0, сопровождается ростом тока I до установившегося значения I_СТ, равного номинальному току I_Н. Выпрямленная ЭДС (кривая E_d) получает приращение ΔE_d, изменяющееся по функциональному апериодическому закону второго порядка, в результате чего повышается до номинального уровня E_dН без перерегулирования (кривая E_d в момент времени t₁ не превышает E_dН). ЭДС E электродвигателя, которая в режиме холостого хода равна заданию E_dз, также повышается до своего номинального уровня E_Н и при установившемся токе нагрузки I_СТ, не превышающем I_Н, поддерживается на данном уровне. При росте тока выше номинального I_Н (промежуток времени t₂ ÷ t₃) регулятор ЭДС 1 (фиг.1) по-прежнему обеспечивает поддержание выпрямленной ЭДС E_d тиристорного преобразователя на уровне E_d = E_dН за счет снижения ЭДС электродвигателя E на величину падения напряжения ΔI_CT•R_Э на эквивалентном сопротивлении R_Э в цепи выпрямленного тока (здесь ΔI_CT - соответствующее приращение тока нагрузки). Максимальная выпрямленная ЭДС E_d0 тиристорного преобразователя при нулевом угле управления выбирается из условия:
E_do ≥ E_dmax (3)
и в общем случае превышает максимальную выпрямленную ЭДС E_dmax на составляющую, связанную с ограничением максимального угла регулирования, и составляющую, вызванную возможными отклонениями напряжения питающей сети.

При осуществлении способа управления потоком возбуждения, принятого за прототип, ударное приложение нагрузки, происходящее в момент времени t = 0 (фиг. 4), сопровождается значительным перерегулированием, т.е. превышением выпрямленной ЭДС E_d тиристорного преобразователя над своим установившимся значением (на величину максимального приращения ΔE_dmax). Задание ЭДС электродвигателя E₀ устанавливается без учета данного перерегулирования и повышается до номинального уровня по функциональному апериодическому закону первого порядка, что не может обеспечить нарастание выпрямленной ЭДС E_d тиристорного преобразователя без превышения установившегося значения (кривая E_d на фиг.4 имеет максимум в момент времени t = t₁). Поскольку регулятор ЭДС в известном способе в установившемся режиме работы под нагрузкой поддерживает постоянство ЭДС электродвигателя на уровне E = E_Н, рост установившегося тока I_СТ относительно своего номинального значения I_Н (промежуток времени t₂ ÷ t₃) также сопровождается ростом выпрямленной ЭДС E_d тиристорного преобразователя относительно номинального значения E_dН (на величину падения ΔI_CT•R_Э на эквивалентном сопротивлении R_Э цепи выпрямленного тока). Максимальная выпрямленная ЭДС E_d0 тиристорного преобразователя при нулевом угле управления выбирается из условия (3) и, как следует из сопоставления фиг.3 и 4, значительно превышает соответствующую величину, обеспечиваемую в заявляемом способе.

Поскольку в заявляемом способе управления потоком возбуждения отработка ударного приложения нагрузки происходит без перерегулирования выпрямленной ЭДС E_d (фиг.З) тиристорного преобразователя, и, кроме того, обеспечивается стабилизация выпрямленной ЭДС на заданном уровне при токе нагрузки, превышающем номинальный, максимальная выпрямленная ЭДС E_d0 может быть снижена на величину максимального приращения ΔE_dmax, т.е. при настройке контура скорости на модульный оптимум - на 16 - 18%, при настройке на симметричный оптимум - на 19 - 22% (без учета запаса на отклонения напряжения сети и составляющей запаса, связанной с ограничением максимального угла регулирования). Запас выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, необходимый для безаварийной отработки ударного приложения нагрузки, при этом будет обеспечен. После отработки ударного приложения нагрузки, когда необходимость в динамической составляющей ΔE_dmax исключается, его величина автоматически уменьшается за счет повышения задания E_dз до номинального уровня, соответствующего номинальной выпрямленной ЭДС E_dН.

Соотношение выпрямленной ЭДС E_dСТ в установившемся режиме работы под нагрузкой и максимальной выпрямленной ЭДС E_d0, определяет степень регулирования выпрямленной ЭДС, коэффициент мощности в установившемся режиме работы под нагрузкой и соответственно потери электрической энергии, связанные с потреблением реактивной мощности. Поскольку заявляемый способ позволяет обеспечить меньшее соотношение E_dСТ и _d0 (меньший запас выпрямленной ЭДС), он обеспечивает лучшие энергетические показатели работы электропривода при сохранении требуемой надежности и высоких динамических показателях при отработке ударного приложения нагрузки.

Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа позволяют осуществить уменьшение запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя за счет исключения ее перерегулирования в режиме ударного приложения нагрузки и стабилизации ее на заданном уровне при увеличении тока нагрузки выше номинального значения.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемый способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока работоспособен и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе, что подтверждается примером конкретного осуществления способа. Соответственно заявляемый способ может найти широкое применение в тиристорных электроприводах постоянного тока с двухзонным регулированием скорости, работающих с характерным ударным изменением нагрузки.

Изобретение может быть использовано в тиристорных электроприводах постоянного тока с двухзонным регулированием скорости, работающих с ударным изменением нагрузки, в частности, в электроприводах непрерывных станов горячей прокатки. Технический результат заключается в том, что оно обеспечивает лучшие энергетические показатели работы электропривода при сохранении требуемой надежности и высоких динамических показателях при отработке ударного приложения нагрузки. Сущность изобретения заключается в том, что значение параметра, регулируемого по цепи возбуждения, при достижении которого начинают ослабление потока возбуждения электродвигателя, устанавливают ниже номинального значения. При ударном приложении нагрузки при условии работы электропривода в режиме ослабления потока возбуждения заданное значение данного параметра повышают до номинального уровня. В качестве параметра, регулируемого по цепи возбуждения, принимают выпрямленную ЭДС тиристорного преобразователя, а заданное значение выпрямленной ЭДС, при достижении которой начинают ослабление потока возбуждения электродвигателя, определяют по заданной зависимости, а повышение заданного значения параметра, регулируемого по цепи возбуждения, до номинального уровня осуществляют по апериодическому закону второго порядка. 4 ил.

Способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока в системе двухзонного регулирования скорости, по которому заданное значение параметра, регулируемого по цепи возбуждения, при достижении которого начинают ослабление потока возбуждения электродвигателя, устанавливают ниже номинального значения, при ударном приложении нагрузки при условии работы электропривода в режиме ослабления потока возбуждения заданное значение параметра, регулируемого по цепи возбуждения, повышают до номинального уровня, отличающийся тем, что в качестве параметра, регулируемого по цепи возбуждения, принимают выпрямленную ЭДС тиристорного преобразователя, заданное значение параметра, регулируемого по цепи возбуждения, при достижении которого начинают ослабление потока возбуждения электродвигателя, определяют по зависимости

где E_dн - номинальная выпрямленная ЭДС тиристорного преобразователя;
L_э - эквивалентная индуктивность цепи выпрямленного тока;
Т_т - постоянная времени контура тока;
α - отношение постоянных времени контуров скорости и тока;
k₁ - коэффициент: k₁ = 1,4 и k₁ = 1,05 - для одно- и двукратно-интегрирующей систем автоматического регулирования скорости соответственно;
I_CTmax - максимальный ток статической нагрузки,
а повышение заданного значения параметра, регулируемого по цепи возбуждения, до номинального уровня осуществляют по апериодическому закону второго порядка.