УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КОММУТАЦИИ КОЛЛЕКТОРНЫХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2001 года по МПК H02K13/14 H02K13/00 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для улучшения коммутации коллекторных машин постоянного тока, питаемых от статических преобразователей, и может быть использовано в электрических машинах с дополнительными полюсами.

Известно устройство для улучшения коммутации коллекторных электрических машин [Патент СССР N 943995 H 02 K 13/14], секции обмотки якоря которого подключены к коллекторной пластине, содержащее управляемый усилитель, подключенный к обмоткам дополнительных полюсов, и управляющий элемент в виде вспомогательной секции, уложенной рядом с основной секцией обмотки якоря, начала основной и вспомогательной секций присоединены к одной коллекторной пластине, а конец вспомогательной секции и отпайка от конца основной секции подключены через контактные кольца к входу управляемого усилителя, шунтирующего обмотку дополнительных полюсов. Данное устройство путем отпитки дополнительных полюсов током, пропорциональным добавочному току коммутации, обеспечивает настройку дополнительных полюсов на середину безыскровой зоны. Известно также устройство для улучшения коммутации коллекторных машин постоянного тока [Патент СССР N 892587 H 02 K 13/14], содержащее дополнительную обмотку добавочных полюсов, управляемый источник питания, подключенный к упомянутой обмотке, управляемый коммутатор, подключенный выходом ко входу источника, три подключенных ко входам коммутатора индукционных датчиков, катушечные обмотки которых выполнены с шириной, равной шагу обмотки якоря, и уложены в соответствующие аксиальные пазы наконечников двух соседних добавочных полюсов, и датчик положения якоря с запускающим устройством, подключенный к управляющему входу коммутатора. Данное устройство путем подпитки дополнительных полюсов током, пропорциональным амплитуде реактивной ЭДС, снижает искрение на коллекторе, за счет уменьшения нескомпенсированной ЭДС в коммутируемых секциях. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству для улучшения коммутации коллекторных машин постоянного тока при питании от статических преобразователей, является выбранный в качестве прототипа двигатель постоянного тока с устройством улучшения коммутации [В. Е. Скобелев Двигатели пульсирующего тока, стр. 123, рис. 512(в)], содержащий последовательную обмотку возбуждения, обмотку дополнительных полюсов и сглаживающий реактор, включенные последовательно с обмоткой якоря, а также вспомогательную обмотку на дополнительном полюсе, питаемую через токоограничивающий резистор, от обмотки главных полюсов.

Недостатком данной схемы является неполная компенсация фазового сдвига между током в обмотке якоря и коммутирующим потоком.

Предлагаемое устройство для улучшения коммутации коллекторных машин постоянного тока состоит из последовательной обмотки возбуждения, обмотки якоря, последовательно с ней включенного датчика тока якоря, данная цепь питается от источника пульсирующего напряжения. Также устройство снабжено датчиком коммутирующего потока, установленного под наконечником дополнительного полюса. Сигналы с датчика тока якоря и с датчика коммутирующего потока подключены к блоку расчета, задачей которого является формирование тока в независимой обмотке дополнительных полюсов, согласование тока в обмотке якоря и коммутирующего потока, и который формирует задание на регулируемый источник тока, к которому подключена независимая обмотка дополнительных полюсов.

На фиг. 1. показана схема подключения управляющих элементов к машине постоянного тока. На фиг. 2. показана структурная схема подпитки последовательной обмотки дополнительных полюсов. На фиг. 3. показаны базовые кривые в относительных единицах: тока в обмотке якоря (1), естественного коммутирующего потока (2), тока в независимой обмотке дополнительных полюсов (3), необходимого для полного согласования тока в обмотке якоря и коммутирующего потока. На фиг. 4. показана блок-схема алгоритма расчета.

Устройство для улучшения коммутации коллекторных машин постоянного тока (фиг. 1) содержит машину постоянного тока 1, состоящую из обмотки якоря 2 и последовательной обмотки возбуждения 3, которая подключена к источнику пульсирующего напряжения 9. Полный ток обмотки якоря фиксируется датчиком тока якоря 4, полный коммутирующий поток фиксируется датчиком коммутирующего потока 5, конденсаторы C1 и C2 соответственно выделяют из сигналов с датчиков переменные составляющие, указанные сигналы поступают на блок расчета 8, задачей которого является формирование тока в независимой обмотке дополнительных полюсов, согласование тока в обмотке якоря и коммутирующего потока, и который формирует задание на регулируемый источник тока 7, к которому подключена независимая обмотка дополнительных полюсов 6.

Методика расчета в относительных единицах тока в независимой обмотке дополнительных полюсов.

При питании двигателя от статического преобразователя в коммутируемых секциях двигателя возникают постоянная и переменная составляющие реактивной ЭДС. Экспериментальные исследования тяговых и промышленных двигателей средней и большой мощности [В.Е. Скобелев. Двигатели пульсирующего тока], показывают, что за счет демпфирующего действия вихревых токов переменная составляющая коммутирующего потока значительно отстает от переменной составляющей тока в обмотке якоря (фиг. 3), что значительно ухудшает коммутацию. Данные зависимости описываются формулами (1) и (2).

i(t) = 1+Asin(ωt+α) (1)
Φ_k(t) = 1+Bsin(ωt) (2)
где i(t) = I(t)/I_y,Φ_k(t) = B_k(t)/B_ky.
A - переменная составляющая тока в обмотке якоря в относительных единицах.

B - переменная составляющая коммутирующего потока в относительных единицах.

ω = 2πf угловая частота, α - угол рассогласования.

Переходя к операторной форме записи, получим


Далее, принимаем за входную величину i(p), а за выходную - Φ_k(p), находим соответствующую передаточную функцию

Имея конечной целью достижение равенства между относительными величинами тока в обмотке якоря и форсированного коммутирующего потока, можно при известной передаточной функции W_k(p) синтезировать регулятор коммутирующего потока, один из вариантов которого показан на фиг. 2. Здесь W(p) - обобщенная функция тракта формирования тока форсировки; i_ф(p) - ток форсировки; Φ_ф(p) - добавочный магнитный поток, обусловленный током форсировки (подпитки); u_ф(p) - напряжение подпитки; W_u(p) - передаточная функция источника подпитки; Y(p) - передаточная функция (операторная проводимость) последовательной обмотки дополнительных полюсов.

Из фиг. 2 следует
i(p)W(p)W_k(p)+i(p)W_k(p) = Φ_kф(p) = i(p) (6)
W(p)W_k(p) + W_k(p)=1

При этом ток подпитки последовательной обмотки дополнительных полюсов

Полученный ток подпитки в операторной форме (8) переводим в функцию времени

где, A - переменная составляющая тока в обмотке якоря в относительных единицах. В - переменная составляющая коммутирующего потока в относительных единицах, ω = 2πf - угловая частота, α - угол рассогласования.

Так как нам необходим ток независимой обмотки дополнительных полюсов, то i_ДП(t)=i_П(t)+i(t) (10)

Таким образом, при независимом питании последовательной обмотки дополнительных полюсов для полного согласования тока в обмотке якоря и коммутирующего потока необходим следующий ток независимой обмотки дополнительных полюсов:

Следует отметить, что блок расчета может не вычислять (функцию (12), так как последняя может быть задана таблично. То есть в блок расчета закладывается в относительных единицах ток независимой обмотки дополнительных полюсов (12), который с учетом датчиков тока якоря и коммутирующего потока будет формировать необходимую кривую тока независимой обмотки дополнительных полюсов для полной компенсации действия вихревых токов.

Блок-схема алгоритма расчета (фиг. 4) включает в себя
1 - блок начальных предустановок, 2 - блок начальных значений тока в обмотке якоря и коммутирующего потока, соответствующие пусковому режиму для формирования начальной кривой тока в независимой обмотке дополнительных полюсов, 3 - блок перевода переменных составляющих в относительные единицы, 4 - блок формирования тока в независимой обмотке дополнительных полюсов, блок 5 - формирует реальный ток в независимой обмотке дополнительных полюсов, блоки 6, 7, 8 - предназначены для учета нелинейности кривой намагничивания.

В простейшем случае кривую намагничивания представляем в виде двух прямых с различным углом наклона, изгиб в точке, где ток в обмотке якоря равен номинальному.

Блок 9 - формирует задание на источник тока, блок 10 - определяет текущие значения тока в обмотке якоря и коммутирующего потока, а блок 11 осуществляет коррекцию, для формирования новой кривой тока в независимой обмотке дополнительных полюсов.

Предлагаемое устройство для улучшения коммутации коллекторных машин постоянного тока работает следующим образом.

При включении машины 1 датчик 4 выдает сигнал на блок расчета 8, который формирует ток в независимой обмотке дополнительных полюсов с учетом пускового режима, далее с датчиков 4, 5 осуществляется контроль тока в обмотке якоря и коммутирующего потока согласно алгоритму. Блок расчета 8, задачей которого является формирование тока в независимой обмотке дополнительных полюсов, постоянно сравнивает старые значения тока в обмотке якоря и коммутирующего потока с новыми значениями, обеспечивает согласование тока в обмотке якоря и коммутирующего потока и формирует такое задание на регулируемый источник тока 7, чтобы коммутирующий поток полностью совпадал в относительных единицах с током в обмотке якоря. То есть устройство, как в динамических, так и в статических режимах, обеспечивает полное согласование тока в обмотке якоря и коммутирующего потока, а следовательно, обеспечивает хорошую коммутацию машины. Следует отметить, что в отличие от прототипа схема не только обеспечивает полное согласование тока в обмотке якоря и коммутирующего потока, при питании от статических преобразователей, но и есть возможность формирования коммутирующего потока, который будет опережать ток в обмотке якоря, а следовательно, будет обеспечена оптимально ускоренная коммутация, что является важным фактором безыскровой работы.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для улучшения коммутации коллекторных машин постоянного тока, питаемых от статических преобразователей. Техническим результатом, достигаемым изобретением, является получение коммутирующего потока, который позволяет снизить искрение на коллекторе при питании машины постоянного тока от статического преобразователя как в статических, так и в динамических режимах. Данный технический результат достигается путем того, что полный ток якоря фиксируется датчиком тока якоря, полный коммутирующий поток фиксируется датчиком коммутирующего потока, конденсаторы выделяют из этих сигналов переменные составляющие, указанные сигналы поступают на блок расчета, задачей которого является формирование тока дополнительных полюсов, согласование тока якоря и коммутирующего потока, и который формирует задание на регулируемый источник тока, к которому подключена независимая обмотка дополнительных полюсов. 4 ил.

Устройство для улучшения коммутации коллекторных машин постоянного тока, содержащее обмотку якоря, последовательную обмотку возбуждения, независимую обмотку дополнительных полюсов, отличающееся тем, что полный ток обмотки якоря фиксируется датчиком тока якоря, полный коммутирующий поток фиксируется датчиком коммутирующего потока, конденсаторы выделяют из сигналов с датчиков переменные составляющие, указанные сигналы поступают на блок расчета, задачей которого является формирование тока в независимой обмотке дополнительных полюсов, согласование тока в обмотке якоря и коммутирующего потока, и который формирует задание на регулируемый источник тока, к которому подключена независимая обмотка дополнительных полюсов.