Устройство теплового токоограничения электродвигателя Советский патент 1992 года по МПК H02H7/85 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах электропривода, использующих тепловое токоограничение. К таким приводам относятся электромеханические системы промышленных роботов-манипуляторов, экструзионных машин, экскаваторов, электротрансмиссии подвижных объектов, кузнечно- прессовых машин.

Цель изобретения - увеличение точности и повышение надежности путем обеспечения варьируемого уровня то- коограничения.

На чертеже представлено устройство теплового токоограничения эле- ктрбдвигателя.

Устройство включает тиристор- ный преобразователь 1, соединенный с электродвигателем 2, вход тири- сторяого преобразователя 1 соединен

с выходом блока импульсно-фазовогр ущУавления 3, вход которого соединен, с выходом промежуточного усилителя 4, вход которого связан с .блоком полного задакщего напряжения 5. На выходе промежуточного усилителя 4 включен диод 6, на стороне переменного тока электродвигателя 1 включен трансформатор 7 тока. Выход трансформатора 7 соединен с дросселем 8, являющимся тепловым аналогом якоря электродвигателя 2. Дроссель 8 и диод 6 находятся в тепловом контакте и помещены в теплоизолированный объем 9, при этом диод 6 помещен межяУ обмоткой и сердечником дросселя, т.е. связан с ними в тепловом отношении. Последовательно с диодом 6 включен усилитель 10 со стабилизиро- ванным смещением.

(Л

с:

ел

о

00 со

15

Работа устройства основана на принципе теплового токоограничения, который состоит в том, что уровень ограничения токоограннчивающего эле- меита выбирается не постоянным, а изменяепым, варьируемым в зависи- мостн от теплового состояния электро двигателя. Так, при холодном двигателе и соответственно якоре по срав- нению с прогретой машиной электромеханическая постоянная ыеличина времени уменьшена. Тгким образом, уровень токоограничения может быть для холодного двигателя снижен. Для прогретого двигателя, наоборот, уровень токоограничения может быть увеличен. Таким образом, в предлагаемом устройстве уровень токоограничения варьируется в зазисимости от температуры двигателя.

Информация о тепловом состоянии двигателя достигается путем использования дроссельной тепловой модели двигателя. В частности, конкретным примером возможной реализации предлагаемого устройства является подключение к трансформатору 7 тока дроселя 8j имеющего те же постоянные времени нагрева стали и меди, что и злектродвигатель 2, Практически это достигается введением теплоизолированного объема 9, увеличивающего теплоёмкость и уменьшающего теплоотдачу. Диод 6 наз{одится в тепловом контакте с дросселем и включен вместе с усилителем 10 со стаби лизи{)ованным смещением в цепь то- коогранвчения. Предлагаемое устройство предназначено для работы в основном в переходных режимах, например, в режиме повторно-кратковре- к енного включения, сопровождающемся частыми пусками и торможениями. Имено в этом режиме к машине может быт приложено повьш1енное напряже}1ие, которое выводит машину из строя.

Элементы математического обоснования физики происходящих процессов заключаются в следующем. НоминалbH{ te потери в меди машины Рц определим как:

ЙР,

)R()2R(1+ett)

;

л - ЦК,

чноминальный ток (при tOM двигателе);

прогре1- ток холодного двигателя

Of

при

Л1 - приращение тока, характеризующее компенсацию температурного изменения сопротивления;

-температурный коэффициент;

-сопротивления якоря при 20 С;

-температура.

холодного двигателя можно доof, f

Для тигнуть, что

fipt,

без всякого ущерба производительно- сти, поскольку уменьшение R можно скомпенсировать уменьшением тока. Но для этого нужно, чтобы токоогра- ничивающий элемент имел не пострянную уставку, кратную

1„ I, - Л1,

а переменную, обеспечивающую для холодного двигателя уставку, кратную

30

Это и осуществляется тепловой моделью Величина этой переменной устав- ки определяется формулой

и DO + /3t,

45

50

55

35

40

где Up - напряжение усилителя 10; и - температурный коэффициент диода 6.

Расчет дросселя в тепловом отношении проводится по критериям подобия нестационарных тепловых процессов, используя аппарат двухступенчатой теории нагревания. Таким образом, температурное поле дросселя оказьша- ется аналогичным температурному полю двигателя. В частности, коэффициенты теплоотдачи двигателя и дросселя аналога связаны так, что постоянные времени нагрева стали и меди дроссе- ля-аналЬга и двигателя весьма близки, т.е. вид кривой нагрева оригинала и модели аналогичен.

Устройство теплового токоограничения работает следукхцим образом.

В первые минуты работы привода,, когда двигатель не прогрет и собственный перегрев теплового аналога- дросселя 8 также незначителен, раСо- та блока токоограничения не отлича-. ется. существенно от известных схем, (нахо по мере нагрева двигателя температура обмотки и сердечника

дросселя-аналога повышается в соответствии с перегревом якоря. Постоянные времени нагрева стали и меди двигателя и модели-аналога совпадают. Поскольку дроссель-аналог 8 и диод 6 находятся в одном теплоизолированном объеме 9, температура диода также повышается. Это изменяет характерис- тики искусственного стабилитрона, составленного из диода 6 и усилите-, ля 10 со стабилизированным смещением.

Известно, что кремниевые диоды с напряжением стабилизации больше 6 В имеют положительный температурный коэффициент напряжения (ТКН), а диоды с напряжением стабилизации меньшими 5В - отрицательный ТКН. Изменение напряжется примерно равны 0,5- 1% на . Нагрев двигателя приводит к увеличению сопротивления якоря, что изменяет момент, развиваемый двигателем при той же частоте вращения (переход на другую характеристику). Эти изменения находят отражение в изменении параметров системы управления. В частности, если требуется- поддерживать ток на уровне тока холодного двигателя при постоянной нагрузке и частоте вращения, то уровень токоограничения должен быть по- вьш1ен в функции перегрева двигателя. Если требуется стабилизировать ток нагретого двигателя, то уровень токоограничения должен быть в начальный период времени меньше номинального. Соответствующим расчетам теплового аналога и выбором типа диода можно добиться выполнения любого из двух выще названных требований или какого-либо компромиссного условия. При этом относительный уровень ограничения определяется перегревом теплового аналога, начальное значение характеристики ограничения определяется напряжением стабилизации, найденном по справочным данным для данного диода, знак ТКН определяется типом диода. В случае необходимости получения отрицательного ТКН на напряжение, большее 6 В, допустимо последовательное соединение нескольких низковольтных диодов. Таким образом, уровень токоогррничения автоматичес- ки измеияется в функции перегрева электродвигателя. Например, пусть, нагрев двигателя ниже нормы (начало работы) и поставлено условие минимизации потребления энергии. В этом случае нагрев дросселя также незначителен, температурный коэффициент 5 диода мал, происходит работа устройства токоограничения с относительно небольшим уровнем отсечки , достаточным однако для нормальной работы механизма. С течением времени двигатель

0 нагревается. Нагревается также И

дроссель. Нагрев обмотки возбуждения уменьшает поток и момент на валу из- за увеличения сопротивления обмотки, изменение ТКН диода, имеющего

5 тепловой контакт с дросселем, увели- чивает уставку токоограничения, что увеличивает момент, обеспечивает нормальную работу механизма.

Применение изобретения позволяет

0 повысить эффективность привода за счет увеличения уставки токоограни- чения для холодного двигателя и снизить затраты электроэнергии за счет снижения установки токоограничения

5 для нагретого двигателя. Благодаря этому повьш1ается точность уставлси, оптимально соответствующей каждому , тепловому состоянию двигателя. По сравнению с известными устройствами

0 объединение в диоде и порогового элемента и датчика температуры повышает надежность цепи токоограничения. Кромр. того, повьш1ается чувствительность устройства, так как ТКН неко5 торых полупроводниковых диодов доходит до 10-100% и более на . Устройство может быть применено

0

;

к любому типу электрической машины поскольку величина приложенного к ней повьш1енного напряжения определяется- не самой машиной, а системой электропривода, в частности статиз- мом, рассогласованием, уровнем напряжения задания и коэффициентом 5 усиления предварительного усилителя и преобразователя. Эти величины являются параметрами системы электро- привода, а не машины.

К числу механизмов, Которые ра- .ботают в данном режиме и которые, следовательно, нуждаются в установке предлагаемого устройства, относятся роботы и манипуляторы, работа приводов которых связана не только с пуском и остановом, и но и с реверсом, а также все механизмы с экскаваторным типом механической характеристики - экструдеры, электротрансмиссии подвижных объектов, гор0

5

ные магашсы, экскаваторы. Установка устройства на приводах экскаваторов оправдана и тем, что они обычно нуждаются и в сезонном токоограничении. Аналогичные условия возникают и в регулируемом электроприводе подъемно-транспортных машин и в самом рас- прострАненном станочном приводе - .приводе подач. Дeйcтвитeльнo все приводы такте типов, как МПУ, ЭТО, этот, ПТЗР, ПТР-0,4М, ЭТ1Е, ЭТЗР, ЭТШР, ЭТЗИ, ЭТ6, БУ3609, ЭТУ3601, ЭШИР-1, ПМС, ПТЧКШ, ЭКГ, 2М-5-2, имеют блоки токоограничения. В слу- чае установки их на вышеуказанные механизмы, будет повьшена производительность за счет ввода переменного уровня токоограничения.

t

Формула изобретения

Устройство теплового токоограничения электродвигателя, содержащее блок задания полного напряжения, вы- ход которого соединен со входом прб- межуточного усилителя, выходы промежуточного усилителя соединени с соответствующими входами блока им- пульсно-фазового напряжения управления, выход которого соединен с уп- равлйющим входом тиристорного преобразователя, электродвигателя, трансформатор тока, первичная обмотка ко- торогй имеет клемйы для включения в фазу питающей сети, вторичная обмотка его соединена с тепловым аналогом элект|)одвигателя, вьтолненным на дросселе, обмотка и сердечник которого помещены в теплоизолированный объем, токоограничивающий элемент, отличающееся тем, что, с целью увеличения точности и повышения надежности путем обеспечения варьируемого уровня токоограничения, токоограничивающий элемент выполнен в виде диода, помещенного в теплоизолированный объ- |ём, последовательно с диодом включен усилитель со стабилизированным смещением, свободный вывод которого и свободный 9ЫВОД диода подключены к выходам промежуточного усилителя.

Устройство относится к электротехнике и может быть использовано в системах электропривода, использующих тепловое токоограничение. Цель изобретения - увеличение точности и повьшение надежности путем обеспечения варьируемого уровня токоограни- чения. Поставленная цель достигается , тем, что токоограничиваюцр1й элемент вьтолнен на диоде 6, помещенном в теплоизолированный объем 9, в котором он имеет тепловой контакт одновременно с обмоткой и сердечником дросселя 8, являющимся тепловым аналогом электродвигателя 2, последовательно с диодом включен усилитель 10 со стабилизированным смещением. 1 ил.