Устройство управления испытательным электромагнитным вибростендом Советский патент 1987 года по МПК H02M9/06 G01M7/00 

Изобретение относится к системам управления механизмами с электромагнитным приводом и может быть иснользовано в электромеханических устройствах создания гармонических колебаний - вибростендов для испытания на виброустойчивость различных изделий со значительными массогабаритны- ми показателями, нанример массой более 1,5 --3.0 т.

Цель изобретения расширение функциональных возможностей, повышение КПД путем рекуперации энергии и формировки спада импульсов тока, снижение установленной мощности оборудования.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства; на фиг. 2 - диаграммы токов и напряжений, характеризующие работу устройства; на фиг. 3-6 - варианты схем.

Устройство (фиг. Г) содержит управляемый выпрямитель 1 со сглаживающим LC- фильтром на выходе, вынолненном на дросселе 2 и конденсаторе 3. Параллельно конденсатору 3 через вентильный коммутатор 4 подключена нагрузка катушки 5 вибратора стенда.

Вентильный коммутатор 4 выполнен в виде однофазного моста на тиристорах 6- 9 с конденсатором 10 в диагонали переменного тока. Параллельно вентильному коммутатору 4 через отсекающий диод 11 подключен инвертор 12 с входным Г-образ- ным /.С-фильтром, выполненным на дросселе 13 и конденсаторе 14. Управляюп ие входы выпрямителя 1, инвертора 12 и вентильного коммутатора 4 подключены к блоку 15 импульсно-фазового управления (САУ).

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.

Управляе.мый вьитрямитель 1 обеспечивает выпрямление переменного сетевого напряжения в постоянное с возможностью его регулирования или стабилизации на заданном уровне. Г-образный LC-фильтр, состоящий из дросселя 2 и конденсатора 3, обеспечивает сглаживание выпрямленного тока до требуемого уровня. Управляемый вентильный коммутатор 4 с помон ью САУ 15 обеспечивает формирование регулируемых по частоте и скважности прямоугольных импульсов напряжение на катун ке 5 вибратора стенда.

При прикладывании каждого очередного прямоугольного импульса напряжения через ка:1 ушку 5 вибратора нарастает по эксно- ненте ток до значения, определяемого на- ра.метрами импу.пьса напряжения и контура протекания тока: конденсатор 3, катушка 5 вибратора, венти:1ьный коммутатор 4. За время действия импульса напряжения происходит накопление запаса электромагнитной энергии индуктивного характера в обмотке катушки 5. Поэтому после запирания вентильного коммутатора 4 и снятия импульса напряжения с катун ки 5 вибратора ток в

ней не может нрерваться мгновенно, а. замыкается по контуру, образованному последовательно соединенными конденсаторами 3 и 14 и отсекающи.м диодом 11. Происходит перекачка занаса электромагнитной энергии индуктивного характера катушки 5 вибратора в электромагнитную энергию емкостного характера конденсатора 14, а оттуда с помощью инвертора 12 происходит ее рекуперация в питанэщую сеть. Отсекающий

диод 11 не нозволяет разряжаться конденсатору 14 с более высоким уровнем напряжения на конденсатор 3. Наличие высокого уровня нанряжения на конденсаторе 14 способствует быстро.му спаданий тока в ка5 тушке 5 вибратора и эффективной рекуперации избыточной реактивной энергии в питающую сеть. Тем самым обеспечивается и повышение эффективности рекуперации и КПД устройства.

Поскольку инвертор 13 выполняют наи0 более простым -- ведомым сетью, отсекающий диод 11 не дает протекать току и по контуру; сеть, выпрямитель 1, дроссель 2, конденсатор 3, отсекающий диод 1 1, конденсатор 14, инвертор 12, сеть, Г-образные

. LC-фильтры с емкостными звеньям.и также являются обязательн1з1ми поскольку создают контур для е1зорсированпого сброса запаса электромагнитной энергии вибратора.

На фиг. 2 приведены формы токов и напряжений катушки вибратора и конденсатоQ ров фильтра. Че.м выше уровень напряжения на конденсаторе входного фильтра инвертора относительно нанряжения конденсатора 1)-л сглаживаюн1его фильтра выпрямителя, тем круче спадание тока вибратора и эффективнее нроцесс рекуперации избыточс ной энергии в питающую сеть.

Возможны различные варианты выполнения вентильного коммутатора 4. Но наиболее целесообразным является схема коммутатора 4 на основе однофазного тиристор- ного моста с коммутирующим конденсато0

ром в диагонали переменного тока. Такой

коммутатор обеспечивает двухтактный режим работы коммутирующего конденсатора 10 без холостого режима его перезаряда, приводящего к снижепию КПД устройства, а

с также возможность двух режи.мов переключения.

Первый режим -- одновременно работают пары тиристоров одной ветви; тиристоры 6, 7 (или 8, 9), зате.м коммутация - зани- рание их при включении тиристора 9 или

0 8 (фиг. 2а).

Второй режим - резонансный с последовательным включением в рабочий контур конденсатора И) одновременной работой вентильных пар 6, 9 или 7. 8. Такой режим обеспечивает более высокий КПД за счет

5 меньшего соде1)жания высших гармоник в токе, но он не всегда донустим по параметрам KaTynJKH вибратора и требует большую установленную мощность коммутирующего конденсатора 10. Так как напряженне на катушке 5 вибратора опережает по фазе ток на 90° и в момент максимума импульса тока меняет свой знак, происходит аналогичный процесс перекачки запаса электромагнитной энергии в конденсатор 14 и соответствующее ограничение уровня раскачки напряжения на коммутирующем конденсаторе 10 вентильного коммутатора 4.

Поскольку в мощных электромагнитных вибростендах может быть несколько катушек электромагнитов либо одна катушка выполняться из нескольких секций, а сами вентильные коммутаторы требовать параллельного соединения тиристоров с индуктивными делителями тока, более целесообразным оказывается использование в качестве индуктивных делителей тока /г-секций или ка- тущек вибратора (фиг. 3).

В этом случае последовательно с каждой катуи кой 5i-5„ вибратора включают собственный вентильный коммутатор 4i-4„. на тиристорах 6-9 с конденсатором 10, а их общие точки соединения подключают к входу инвертора 12 через дополнительно вводимые развязывающие диоды . При этом обеспечивается равномерное деление тока и по катуи1кам, и по вентильным коммутаторам без применения дополннте.чь- ных выравниваюпшх устройств, а также возможностью независимой работы каждой катушки 5i- -5„ вибратора. Поскольку напряжение в контуре, прикладываемое к диоду 11, снижается в два раза за счет перераспределения части его на развязывающие диоды 16, уве. жчения установленной суммарной монхности диодов 11 и 16 не происходит.

Выполнение кoммyтиpyюпJ,eгo узла можно упростить и, соответственно, снизить массо- габарнтные показатели устройства прп наличии двух секций вибратора (). В этом случае венти.чьные коммутаторы 4; и 4 (фиг. 3), включенные последовательно с катуи1ками 5; и 5 вибратора, выполняют в виде двух тиристоров 6 и 8 с общим ком- мутируюи1им конденсатором 10 (фиг. 4), т. е. выполняют коммутатор 4 общим на обе катушки. Поскольку при этом коммутаторы переходят в однотактный режим работы, для сохранения без изменения выходной .мощности катушек вибраторов необходимо уве;1ичить частоту их работы в два раза. Снижение массогабари.т- Hbjix ноказаталей при эгом обеспечивается за счет уменьшения количества тиристоров и конденсаторов в комбинированном общем вентильном коммутаторе.

При дальнейн1ем наращивании мощностей вибростенда возникает вопрос с napaji- лельным соедин ением т тири.сторов в каждом плече выпрямителя I. В этом случае выпрямитель 1 секционируют на т элементарных выпрямителей 1;-I,.,, без иара.п.пель- ного соединения тиристоров. Раси1,еп. 1яют сглаживающий фильтр выпрямителя на элементарных LC-фильтров, работающих каждый на свою группу катун.1ек 5i-5,„ вибростенда. А каждая грунпа содержит п катушек вибратора при общем количестве катушек m - п (5п1п) и, соответственно, т п вентильных коммутаторов 4 (4//;- п). При этом, поскольку рекуперируемая устройством доля энергии всегда меньше потребляемой, инвертор 12 вместе с входным LC- фильтром выполняется общим на все устройство и подключается через т отсека ющих диодов и и т- п разделительных диодов 16 параллельно всем вентильным ком.мутаторам 4/( п. Тем самым обеспечивается нростота и нониженные массогабарит- ные показатели устройства за счет отсутст5 ВИЯ каких-либо токовыравнивающих устройств (де.мите. 1ей тока) и наличия одного общего инвертора (фиг. 5).

Для дальнейшего снижения массогаба- ритных показателей и упроще1П1я конструкции устройства сглаживающие реакторы Z.C0 фильтров могут быть выполнены магнитосвя- занными на общем магнитопроводе (фнг.4). Для повышения надежности работы устройства нутем устранения возможности срывов инвертироваиия и сквозных коротких замыканий по цепи выпрямитель-инвертор отсекающие и разделительные груипы вентилей выполняют не на диодах, а на тиристорах (фиг. 5) и включают их только noc.ie коммутации-запирания тиристоров вентильного коммутатора 4 (фиг. 2а), т. е. после

д нача.ча спадания тока в катушках 5 вибратора.

Форму.1 а изобретение

1. Устройство управления исиытательным 5 элекгромагнитг1ым вибростендом, содержащее сетевой выпрямитель с LC-фнльтром, один вывод которого юдк.пючен к одному выводу катун1ки щюратора, вентильньп коммутатор и ведомы сетью инвертор с входным /.С-фильтром, один вывод которого иод- 0 ключен к одному выводу отсекающего диода, отличающееся тем, что, с целью расншре- ния функционал1 11ых возможностей, повьпне- ния КПД путем рекуперации энергии и фор- сировки спада импульсов тока, снижения ус5

5

танов,енной мощности оборудования, вьшря- митель выполнен унравляемым, другой вывод фильтра выпрямителя подключен к другому выводу отсекающего диода и через вентильный коммутатор - к другому выводу катушки вибратора, соединенному с дру1-им 0 выводом фильтра инвертора.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем. что вентильный коммутатор вынолнен в виде тирисгорного моста с конденсатором в диагонали переме}1ного тока.

5 3. Устройство по ни. 1 и 2, отличающееся тем, что, с це, 1ью расишрения диапазона мощностей, дополнительно введены п катушек вибратора, подключенных к друго- вывод )а вынрямителя через соответствующие введенные коммутаторы, а к другому выводу фильтра инвертора - через соответствующие разделительные диоды.

4.Устройство по Г1П.1-3, отличающееся тем, что, с целью упрощения, при вентильный коммутатор выполнен общим в виде двух тиристоров, между которыми включен конденсатор.

5.Устройство по ПП.1-3, отличающееся тем, что оно содержит т- п катушек вибратора, собранных в m групп по п катушек и подключенных к выходу m выпрямителей через т п коммутаторов, а к входу инвертора - через га отсекающих и т- п разделительных диодов.

6.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит п ветвей последовательно соединенных m катушек вибратора, подключенных к соответствующему выходу выпрямителя через п коммутаторов, а к выходу инвертора - через п разделительных диодов.

7.Устройство по пп. 1-6, отличающееся тем, что, в качестве отсекающих и разделительных диодов использованы управляемые вентили.

8.Устройство по ПП.1-7, отличающееся тем, что реакторы фильтров выполнены маг- нитосвязанными на общем магпитопроводе.

Изобретение относится к системам управления механизмами с электромагнитным приводом и может быть использовано в электромеханических устройствах создания гермонических колебаний - вибростенды для испытания на виброустойчивость различных изделий со значительными массогабаритными показателями. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей, повышение КПД путем рекуперации энергии и форсировки спада импульсов тока, снижение установленной мощности оборудования. Устройство имеет повышенные энергетические показатели за счет эффективной рекуперации избыточного запаса электромагнитной энергии вибраторов в питаюш.ую сеть. Для этого создан контур для перекачки запаса электромагнитной энергии индуктивного характера катушки 5 вибратора в электромагнитную энергию емкостного характера конденсатора 14, а оттуда с помощью инвертора 12 - в питающую сеть. Накопление энергии в катушке 5 происходит в результате питания ее от выпрямителя 1 через LC-фильтр на дросселе 2 и конденсаторе 3 и коммутатор 4. Предлагаются варианты устройства при питании многих катушек вибратора и упрощенных для этого режима схемах коммутатора 4 и подключениях катушек 5 к одному и нескольким управляемым выпрямителям. 7 з.п.ф-лы. 6 ил. & со (Л о о со o to ел фиг. i

5 а is

о

U,i

LllU

и,

Фиг. 2

фи 5

X.N S

Фиг. 6

Составитель Е. Мельникова

Редактор Н. Бобкова Техред И. ВересКорректор Н. Король

33X331446/51Тираж 661Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 13035, Москва, Ж-35, Раушская иаб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4