ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА С ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ ПО ЭДС Российский патент 2003 года по МПК H02P5/16 H02P5/04 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в установках для измерения тока и ЭДС электродвигателя, в частности в вентильных электроприводах с обратной связью по ЭДС двигателя.

Известен электропривод постоянного тока с обратной связью по ЭДС [1, рис. 6.8] , содержащий электродвигатель постоянного тока, датчик тока, включенный в якорную цепь электродвигателя, датчик напряжения на якоре электродвигателя, к выходу которого подключен сглаживающий фильтр, и датчик ЭДС, на входе которого вычитаются сигналы, пропорциональные напряжению и току двигателя. Выходной сигнал датчика ЭДС пропорционален ЭДС электродвигателя как в режиме прерывистого, так и непрерывного тока.

В данном электроприводе выделение сигнала обратной связи по ЭДС выполняется методом IR - компенсации в соответствии с уравнением

где Uдв, Rдв, Lдв - напряжение, сопротивление, индуктивность двигателя;
Е - противоЭДС двигателя;
i, - ток двигателя и его производная.

При этом влияние последнего члена уравнения при работе электропривода в режиме непрерывного тока учитывается цепочкой R4C2 (стр.191 [1]), а при работе электропривода в режиме прерывистого тока во время бестоковой паузы два последних члена уравнения равны нулю и выходной сигнал датчика напряжения будет пропорционален противоЭДС двигателя.

Недостатками данного электропривода являются наличие специального устройства для измерения тока, содержащего резистор, включенный последовательно с двигателем, датчика тока (ДТ), датчика напряжения (ДН), которые усложняют устройство, увеличивают потери мощности и снижают КПД электропривода.

Наиболее близким к заявляемому электроприводу по технической сущности является электропривод серии ЭТО2, взятый в качестве прототипа (см. рис.34 [2] и фиг. 1), содержащий тиристорный выпрямитель 1, систему управления 2, сглаживающий реактор 3, выполненный на магнитопроводе с воздушным зазором, электродвигатель 6, тахометрический мост, состоящий из потенциометра 7, резистора 9 и якоря электродвигателя 6, датчик тока 8, включающий в себя трансформатор тока, выпрямитель и емкостной фильтр. Сглаживающий реактор выполняет сглаживание пульсаций тока, протекающего через электродвигатель. При этом индуктивность сглаживающего реактора и его габариты минимальны благодаря асимметричной схеме тиристорного преобразователя, содержащего два тиристора и два диода. Это обусловлено тем, что энергия, накопленная в индуктивностях реактора и якоря двигателя на интервалах проводимости тиристоров выпрямителя 1, при выключении тиристоров расходуется на поддержание тока двигателя, который протекает через "диоды", что улучшает форму тока и использование двигателя по моменту.

Датчик тока 8 выделяет сигнал обратной связи по току U_i, поступающий на вход системы управления 2. Так как датчик тока выполнен на основе трансформатора переменного тока, включенного на входе тиристорного выпрямителя, то при запирании тиристоров и протекании тока через двигатель и диоды на выходе трансформатора тока исчезает информация о токе, протекающем через двигатель. Для сохранения информации о токе в течение некоторого времени на выходе выпрямителя включен конденсатор, который вносит инерционность и приводит в переходных режимах к негативным "броскам" тока через двигатель.

Выделение сигнала обратной связи по ЭДС U_E, поступающего на второй вход системы управления, выполняется тахометрическим мостом. Настройка тахомоста сводится к выбору положения движка потенциометра 7, при котором произведения сопротивлений противоположных плечей моста равны, т.е.

Rдв•R_7.1=Rдв•R_7.2,
где Rдв - активное сопротивление якоря электродвигателя;
R_7.1, R_7.2 - соответственно левая и правая части сопротивления потенциометра 7 относительно движка.

В отличие от аналога здесь выделение ЭДС происходит проще: электромагнитным путем в контуре тахометрического моста, что не требует датчиков тока, напряжения и сумматора сигналов на отдельном усилителе.

Недостатками электропривода, принятого за прототип, являются:
1. Сложность, увеличенные габариты и стоимость электропривода, связанные с использованием сложного датчика тока, содержащего трансформатор переменного тока, выпрямитель и емкостной фильтр. При этом датчик тока полностью не контролирует ток через двигатель, как отмечалось выше, поэтому на выходе датчика тока устанавливают сглаживающий фильтр, что приводит к значительному запаздыванию в контуре тока, а в ряде случаев - к нарушению работы системы токоограничения и электропривода в целом.

2. Повышенные потери мощности и низкий КПД, обусловленные включением в якорную цепь двигателя резистора, выполняющего роль одного плеча тахометрического моста. На практике падение напряжения на указанном резисторе составляет несколько вольт, а потери мощности несколько десятков ватт.

Технический результат изобретения - упрощение, снижение потерь мощности, улучшение качества регулирования.

Указанный технический результат достигается тем, что в электропривод, состоящий из тиристорного выпрямителя, системы управления, сглаживающего реактора, выполненного на магнитопроводе с воздушным зазором, электродвигателя постоянного тока и потенциометра, в котором выходы тиристорного выпрямителя подключены к первым выводам силовой обмотки сглаживающего реактора и якоря электродвигателя, а второй вывод якоря электродвигателя и средний вывод потенциометра соединены соответственно с первым и вторым входами системы управления, дополнительно введены в сглаживающий реактор измерительная и слаботочная компенсационная обмотки с равным числом витков, начала которых соединены и подключены ко второму выводу силовой обмотки сглаживающего реактора, конец измерительной обмотки соединен со вторым выводом якоря электродвигателя, а крайние выводы потенциометра подключены к первому выводу якоря электродвигателя и концу компенсационной обмотки, соединенному с третьим входом системы управления.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что за счет введения измерительной и компенсационной обмоток, их соединения удалось расширить функциональные возможности сглаживающего реактора: во-первых, наделив его функцией измерения тока электродвигателя. Это позволило исключить сложный датчик тока, а также улучшить динамические характеристики электропривода за счет исключения запаздывания в контуре тока, например, вносимого широко распространенным сглаживающим фильтром; во-вторых, за счет оригинального включения измерительной и компенсационной обмоток сглаживающего реактора, которые с потенциометром и якорем двигателя образуют тахометрический мост, получаем датчик ЭДС двигателя без потерь мощности на дополнительном резисторе в цепи якоря, как в прототипе.

На фиг. 2 приведена принципиальная электрическая схема электропривода, где приняты следующие обозначения:
1 - тиристорный выпрямитель;
2 - система управления;
3, 4, 5 - соответственно силовая, измерительная и компенсационная обмотки сглаживающего реактора;
6 - якорь электродвигателя;
7 - потенциометр;
U_E, U_i, - сигналы обратных связей по ЭДС и по току, измеренные относительно первого входа системы управления;
Iдв - ток двигателя.

Электропривод состоит из тиристорного выпрямителя 1, управляющий вход которого соединен с выходом системы управления 2, сглаживающего реактора с силовой обмоткой 3, измерительной обмоткой 4 и компенсационной обмоткой 5, начала измерительной и компенсационной обмоток соединены между собой и подключены к одному из выводов силовой обмотки, второй вывод которой подключен к первому выходу тиристорного выпрямителя 1, конец измерительной обмотки 4 соединен с первым входом системы управления 2 и первым выводом якоря электродвигателя 6, второй вывод которого подключен ко второму выходу тиристорного выпрямителя 1 и первому выводу потенциометра 7, второй вывод потенциометра 7 соединен с концом компенсационной обмотки 5 и третьим входом системы управления 2, а средний вывод потенциометра 7 подключен ко второму входу системы управления 2.

Электропривод работает следующим образом.

Системой управления 2 задаются моменты отпирания тиристоров выпрямителя 1. На выходе выпрямителя 1 через силовую 3 и измерительную 4 обмотки сглаживающего реактора, а также через якорь электродвигателя 6 начинает протекать ток. Ток нагрузки, проходя по обмотке 4, наводит в ней ЭДС самоиндукции, определяемую соотношением

Q - сечение магнитопровода реактора;
Wu - число витков измерительной обмотки 4;
- производная магнитной индукции;
Lu - индуктивность обмотки 4;
iu - ток в обмотке 4.

В результате напряжение на обмотке 4 составит Uu=lu+iuRu, где Ru - активное сопротивление обмотки 4.

На обмотке 5, которая имеет одинаковое число витков с обмоткой 4, образуется ЭДС взаимоиндукции lk=lu. Учитывая равенство ЭДС в обмотках 4, 5 получим на третьем входе системы управления 2 сигнал обратной связи по току:
Ui=lu+iuRu-lk=iuRu=K₁Iдв
Величина тока, протекающего через обмотку 5, определяется входным сопротивлением системы управления 2 и сопротивлением потенциометра 7, которые составляют несколько десятков кОм, поэтому падением напряжения на обмотке 5 можно пренебречь. Таким образом, сигнал обратной связи по току всегда пропорционален току двигателя, т.к. Iдв=iu, содержащем в общем случае постоянную и переменную составляющие. Следует отметить, что число витков обмотки 4 может быть выбрано значительно меньшим по сравнению с числом витков обмотки 3 и потери мощности на активном сопротивлении обмотки 4 практически не будут влиять на тепловой режим сглаживающего реактора.

С помощью тахометрического моста, образованного соединением якоря электродвигателя 6, измерительной 4, компенсационной 5 обмоток сглаживающего реактора и потенциометром 7, выделяется сигнал обратной связи по ЭДС, который поступает на второй вход системы управления 2. Практически настройка тахометрического моста выполняется путем стопорения вала электродвигателя 6 (устанавливают скорость электродвигателя, равную нулю) и установкой среднего вывода потенциометра 7 в положение, при котором сигнал U_E равен нулю. Этому положению движка потенциометра 7 соответствует условие баланса моста на постоянном токе
Ru•R_7.2=Rдв•R_7.1
где Ru - активное сопротивление измерительной обмотки;
Rдв - активное сопротивление якоря электродвигателя;
R_7.1, R_7.2 - левая и правая части сопротивления потенциометра 7.

При вращении вала электродвигателя 6 выходной сигнал тахометрического моста U_E пропорционален скорости n электродвигателя, так как возбуждение электродвигателя постоянное

Экспериментальные исследования предлагаемого электропривода показали, что величина сигналов обратной связи по току и обратной связи по ЭДС прямопропорциональны значению выпрямленного тока и противоЭДС электродвигателя, а формы сигналов U_i и U_E практически соответствуют формам измеряемых величин.

Заявляемый электропривод реализован в разрабатываемых нами электроприводах постоянного тока серии ЭПУ-4, выпуск которых планируется со 2-го кв. 2001 года.

Источники информации
1. В. М. Перельмутер, В.А. Сидоренко "Системы управления тиристорными электроприводами постоянного тока", Москва, Энергоатомиздат, 1988 г., 304 с.

2. "Регулируемый электропривод", Москва, Информэлектро, Сводный каталог, Выпуск 1, 1974 г., 142 с.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к вентильным электроприводам с обратной связью по ЭДС. Технический результат изобретения, заключающийся в снижении потерь мощности и улучшении качества регулирования, достигается путем того, что в электроприводе постоянного тока, состоящем из тиристорного выпрямителя, системы управления, сглаживающего реактора, выполненного на магнитопроводе с воздушным зазором, электродвигателя постоянного тока и потенциометра, в сглаживающий реактор введены измерительная и слаботочная компенсационная обмотки с равным числом витков, начала которых соединены и подключены ко второму выводу силовой обмотки сглаживающего реактора, конец измерительной обмотки соединен со вторым выводом якоря электродвигателя, а крайние выводы потенциометра подключены к первому выводу якоря электродвигателя и концу компенсационной обмотки, соединенному с третьим входом системы управления. 2 ил.

Электропривод, состоящий из тиристорного выпрямителя, системы управления, сглаживающего реактора, выполненного на магнитопроводе с воздушным зазором, электродвигателя постоянного тока и потенциометра, в котором выходы тиристорного выпрямителя подключены к первым выводам силовой обмотки сглаживающего реактора и якоря электродвигателя, а второй вывод якоря электродвигателя и средний вывод потенциометра соединены соответственно с первым и вторым входами системы управления, отличающийся тем, что в сглаживающий реактор введены измерительная и слаботочная компенсационная обмотки с равным числом витков, начала которых соединены и подключены ко второму выводу силовой обмотки сглаживающего реактора, конец измерительной обмотки соединен со вторым выводом якоря электродвигателя, а крайние выводы потенциометра подключены к первому выводу якоря электродвигателя и концу компенсационной обмотки, соединенному с третьим входом системы управления.