СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКОМ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2012 года по МПК H02P7/28 H02P7/282 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в тиристорных электроприводах постоянного тока с двухзонным регулированием скорости, работающих с ускорением поднагрузкой, в частности, в электроприводах клетей станов горячей и холодной прокатки.

Известен способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока, при котором задают величину уставки скорости вращения на регулятор скорости, измеряют скорость вращения электродвигателя и по результатам измерения формируют величину уставки тока на регулятор тока якоря, измеряют ток якоря электродвигателя и по результатам измерения формируют управляющее напряжение для управления напряжением электродвигателя, формируют задающее напряжение, измеряют выходное напряжение регулятора тока якоря, сравнивают его с задающим напряжением, формируют управляющее воздействие на контур регулирования тока возбуждения электродвигателя, измеряют ток возбуждения электродвигателя, задающее напряжение формируют пропорциональным номинальной выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя и подают его на регулятор выпрямленной ЭДС, сравнение выходного напряжения регулятора тока якоря ведут с задающим напряжением регулятора выпрямленной ЭДС, а управляющее воздействие на контур регулирования тока возбуждения электродвигателя формируют по результатам сравнения выходного напряжения регулятора выпрямленной ЭДС и измеренного тока возбуждения электродвигателя (см. Патент РФ № 2095931, МПК⁶ Н02Р 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. Согласно способу осуществляется двухзонное зависимое регулирование скорости в функции выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя. В соответствии с этим в установившемся режиме работы под нагрузкой в зоне ослабления потока возбуждения поддерживается заданное номинальное значение выпрямленной ЭДС. Однако в динамическом режиме разгона электропривода под нагрузкой возникает перерегулирование выпрямленной ЭДС. Это связано с тем, что быстродействие двухконтурной системы регулирования ЭДС по каналу обмотки возбуждения ниже быстродействия двухконтурной системы регулирования скорости по каналу якорной цепи. Следовательно, в указанном динамическом режиме нарастание выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя в якорной цепи происходит значительно быстрее, чем автоматическое регулирование выпрямленной ЭДС, осуществляемое по каналу обмотки возбуждения. 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 в функции выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, по которому заданное значение выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, при достижении которого начинают ослабление потока возбуждения электродвигателя, устанавливают ниже номинального значения на величину (J_Э/(k₁·T_T·a)I_CTmax), где L_Э - эквивалентная индуктивность цепи выпрямленного тока. Т_Т - постоянная времени контура тока, а - 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 при ударном приложении нагрузки это значение повышают до номинального уровня по апериодическому закону второго порядка преобразователя (см. патент РФ №2154892, МПК⁷ Н02Р 5/06).

Недостатком известного способа является то, что он не позволяет исключить перерегулирование выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя в динамическом режиме разгона электропривода под нагрузкой. Такой режим характерен для электроприводов клетей станов горячей и холодной прокатки во время ускорения при наличии металла в валках клети. Перерегулирование выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя возникает в начальный момент ускорения электродвигателя вследствие дополнительного падения напряжения в индуктивном сопротивлении цепи выпрямленного тока. Величина перерегулирования составляет 15-18% номинальной выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя. Для безаварийной отработки данного режима необходим дополнительный запас выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, также составляющий 15-18% номинальной выпрямленной ЭДС. Это приводит к увеличению потребления реактивной мощности и, как следствие, ухудшению энергетических характеристик электропривода и дополнительным потерям электрической энергии.

Технический результат предлагаемого изобретения - уменьшение запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя за счет исключения ее перерегулирования в динамическом режиме разгона электропривода под нагрузкой.

Технический результат достигается тем, что в известном способе управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока в системе двухзонного регулирования скорости в функции выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, по которому заданное значение выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя снижают на величину (L_Э/(k₁·T_T·a)I_CTmax). где L_Э - эквивалентная индуктивность цепи выпрямленного тока, Т_Т - постоянная времени контура тока, а - 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, согласно изобретению снижение заданного значения выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя осуществляют в момент t₀ подачи сигнала на ускорение электропривода под нагрузкой, а после окончания времени переходного процесса тока электродвигателя, определяемого по зависимости t₃=t₀+a ²·T_T, заданное значение выпрямленной ЭДС повышают до номинального уровня.

Отличительными признаками заявляемого способа являются:

- снижение заданного значения выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя при появлении сигнала на ускорение под нагрузкой;

- повышение заданного значения выпрямленной ЭДС до номинального уровня после окончания заданного времени переходного процесса тока электродвигателя, определяемого по зависимости t₃=t₀+а ²·Т_Т, где t₀ - момент подачи сигнала на ускорение электропривода под нагрузкой.

Данные отличительные признаки в опубликованных ранее технических решениях не обнаружены.

В заявляемом способе указанные отличительные признаки позволяют снизить значение выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя в начальный момент ускорения электропривода под нагрузкой на величину, достаточную для отработки данного динамического режима без превышения выпрямленной ЭДС номинального значения (без перерегулирования), и одновременно обеспечить автоматическое поддержание выпрямленной ЭДС на заданном номинальном уровне при дальнейшем ускорении электропривода. В результате этого обеспечивается возможность уменьшения запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя при сохранении высоких динамических свойств и показателей надежности электропривода.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 представлена схема устройства, реализующего способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока;

на фиг.2 представлена схема логического элемента 7;

на фиг.3 представлены кривые переходных процессов задания скорости, скорости и тока электродвигателя, выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, максимальной выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя (при нулевом угле управления) в режиме разгона под нагрузкой при применении заявляемого способа;

на фиг.4 - аналогичные зависимости по способу, принятому за прототип.

Устройство (фиг.1), реализующее заявляемый способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока, содержит регулятор 1 выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, в цепь обратной связи которого включен блок 2 ограничения. Первый вход регулятора 1 выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя подключен к выходу датчика 3 выпрямленной ЭДС, а второй - к выходу управляемого ключа 4, входы 5 и 6 которого соединены с выходами первого 7 и второго 8 источников задающего напряжения, соответственно. Управляющий вход управляемого ключа 4 соединен с выходом логического элемента 9, первый вход 10 которого предназначен для подключения сигнала задания на ускорение электродвигателя под нагрузкой, а второй вход 11 подключен к выходу таймера 12, соединенного своим входом с входом 10 логического элемента 9.

Логический элемент 9 (фиг.2) реализует функцию «ЗАПРЕТ ПО Х₂», соответствующую логическому уравнению Y=X₁&, где Х₁ и Х₂ - логические функции (1 либо 0) на входах 10 и 11, соответственно, а Y - выходная логическая функция. 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.126-142), либо аппаратно-программным способом в структуре управляющих контроллеров (см. Петров И.В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного проектирования. - М.: Солон-Пресс, 2008 - 256 с.).

На фиг.3, фиг.4 представлены кривые переходных процессов скорости ω и ее задания ω₀, тока якоря i электродвигателя, выпрямленной ЭДС e_d тиристорного преобразователя, максимальной выпрямленной ЭДС e_d0 тиристорного преобразователя при нулевом угле управления.

Кривые (фиг.3, фиг.4) отражают качественную картину переходных процессов при ускорении электродвигателя под нагрузкой от начальной скорости ω₁ до скорости ω₂ в интервале времени t₁÷t₃. Переходные процессы соответствуют процессам в двухконтурной системе автоматического регулирования скорости при настройке на модульный оптимум.

Способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока осуществляют следующим образом.

В установившемся режиме работы под нагрузкой с установившимся током I₁ (до момента t₀ (фиг.3) подачи сигнала на ускорение электропривода под нагрузкой) сигнал «Ускорение под нагрузкой» на входе 10 логического элемента 9 (фиг.1) и сигнал 11 на выходе таймера 12 равны нулю. В соответствии с логической функцией «ЗАПРЕТ ПО Х₂», выходной сигнал логического элемента 9, подаваемый на управляющий вход управляемого ключа 4, равен нулю. Контакт управляемого ключа 4 находится в положении, при котором замкнут вход 5, соответственно на вход регулятора 1 выпрямленной ЭДС с выхода первого источника 7 задающего напряжения подается сигнал, пропорциональный номинальной выпрямленной ЭДС E_dH. Таким образом, до начала разгона электропривода обеспечивается автоматическое поддержание выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя на номинальном уровне E_dH.

При появлении сигнала «Ускорение под нагрузкой» на входе 10 логического блока 9 сигнал на его выходе становится равным единице и контакт управляемого ключа 4 переключается на вход 6. Соответственно на вход регулятора 1 выпрямленной ЭДС с выхода второго источника 8 задающего напряжения подается сигнал E_d1=E_dH-(L_Э/k₁·T_T·а)I_CTmax). Входной сигнал регулятора 1 выпрямленной ЭДС уменьшается на величину динамического перерегулирования выпрямленной ЭДС в начале разгона. В результате в промежутке времени t₀÷t₁ (фиг.3) выпрямленная ЭДС e_d тиристорного преобразователя снижается до уровня E_d1. Одновременно в момент времени t₀ подается сигнал на включение таймера 12, который по окончании заданного времени отсчета, определяемого по зависимости t₃=t₀+a ²·Т_Т, подает сигнал на вход 11 логического блока 9. В соответствии с логической функцией «ЗАПРЕТ ПО X₂» сигнал на выходе блока 9 становится равным нулю, контакт управляемого ключа 4 переключается на вход 5, и на вход регулятора 1 выпрямленной ЭДС подается сигнал E_dH, соответствующий номинальной выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя. Выпрямленная ЭДС e_d в интервале времени t₁÷t₂ (фиг.3) повышается до номинального уровня E_dH. Таким образом, в заявляемом способе обеспечивается переходный процесс выпрямленной ЭДС e_d тиристорного преобразователя без превышения номинального значения.

Максимальная выпрямленная ЭДС E_dmax (фиг.3) за весь период ускорения электродвигателя под нагрузкой не превышает номинального значения (E_dmax=E_dH). Это позволяет уменьшить выпрямленную ЭДС тиристорного преобразователя при нулевом угле управления E_d0(1) на величину ΔE_d=L_Э/(k₁·T_T·a)I_CTmax максимального перерегулирования в начальный момент ускорения под нагрузкой, составляющую 15-18% номинальной выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя. Запас выпрямленной ЭДС ΔE_d0(1) снижается на ту же величину, т.е. до минимально возможного значения, которое определяется составляющими на отклонения напряжения сети (до 10%) и безопасное инвертирование реверсивного тиристорного преобразователя (25% номинальной выпрямленной ЭДС).

При настройке двухконтурной системы автоматического регулирования скорости на модульный оптимум реальная кривая скорости ω отстает от кривой задания ω₀. Длительность промежутка времени t₀÷t₁ (фиг.3) зависит от момента инерции электропривода и при принятой настройке определяется по зависимости t₃=t₀+а ²·T_T. Это время является заданным временем t₃ отсчета таймера 12 и для электроприводов клетей прокатных станов, имеющих значительные массы валков, механически соединенных с валом электродвигателя (и соответственно большие моменты инерции), составляет 0,5÷1 с. Этого времени достаточно для осуществления регулирования выпрямленной ЭДС по цепи возбуждения, т.е. для осуществления заявляемого способа.

При осуществлении способа управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока, принятого за прототип, в момент времени t₁ (фиг.4), соответствующий началу ускорения электродвигателя, возникает динамическое превышение (перерегулирование) выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя (интервал времени t₁÷t₂ на фиг.4). Величина этого перерегулирования составляет 15-18% номинальной выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, соответственно максимальное значение выпрямленной ЭДС E_dmax=(1,15÷1,18)E_dH. В связи с этим величина запаса выпрямленной ЭДС ΔE_d0(2), необходимого для безаварийной отработки данного динамического режима, превышает запас выпрямленной ЭДС в заявляемой системе на 15-18%. Это приводит к дополнительным потерям электрической энергии, связанным с потреблением реактивной мощности.

При осуществлении заявляемого способа обеспечивается минимально возможный запас выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, что обеспечивает высокий коэффициент мощности в установившемся режиме работы под нагрузкой и соответственно снижение потерь электрической энергии, связанных с потреблением реактивной мощности.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в тиристорных электроприводах постоянного тока с двухзонным регулированием скорости, работающих с ускорением под нагрузкой, в частности, в электроприводах клетей станов горячей и холодной прокатки. Техническим результатом является обеспечение минимально возможного запаса выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя при сохранении высоких динамических свойств и показателей надежности электропривода, высокого коэффициента мощности в установившемся режиме работы под нагрузкой. В способе управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока заданное значение выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя снижают на заданную величину. Снижение заданного значения выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя осуществляют в момент t₀ подачи сигнала на ускорение электропривода под нагрузкой, а после окончания времени переходного процесса тока электродвигателя, определяемого по зависимости t₃=t₀+a ².Т_т, где а - отношение постоянных времени контуров скорости и тока, T_T - постоянная времени контура тока, заданное значение выпрямленной ЭДС повышают до номинального уровня. 4 ил.

Способ управления потоком возбуждения электродвигателя постоянного тока в системе двухзонного регулирования скорости в функции выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя, по которому заданное значение выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя снижают на величину (L_Э/(k₁·T_T·а)I_CTmax), где L_Э - эквивалентная индуктивность цепи выпрямленного тока, T_T - постоянная времени контура тока, а - отношение постоянных времени контуров скорости и тока, k₁ - коэффициент, k₁=l,4 и k₁=1,05 - для одно- и двукратноинтегрирующей систем автоматического регулирования скорости соответственно, I_CTmax - максимальный ток статической нагрузки, отличающийся тем, что снижение заданного значения выпрямленной ЭДС тиристорного преобразователя осуществляют в момент t₀ подачи сигнала на ускорение электропривода под нагрузкой, а после окончания времени переходного процесса тока электродвигателя, определяемого по зависимости t₃=t₀+a²·T_T, заданное значение выпрямленной ЭДС повышают до номинального уровня.