Релейно-импульсный регулятор тока тягового электродвигателя постоянного тока Советский патент 1990 года по МПК B60L15/04 

Изобретение относится к электрифицированному транспорту, а именно к регуляторам тока тяговых электродвигателей постоянного тока.

Цель изобретения -- повышение качества регулирования и надежности работы устройства.

На фиг. 1 представлена функцио1:альпая схема предлагаемого регулятора; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы регулятора.

Релейно-импульсный регулятор тока электродвигателя постоянного тока содержит (фиг. 1) в цепи питания тягового электродвигателя 1 тиристорпый преобразователь 2, один управляющий вход которого связан с выходом первого элемента ИЛИ- НЕ 3, подключенного входом к выходу первого формирователя 4 импульсов, соединенному входом с 1ервым выходом первого триггера 5, другой выход которого через второй формирователь 6 импульсов соединен с первым входом первого элемента И-НП 7, выход которого подключен к другому управляющему входу тиристорного преобразователя 2. второй вход соединен с выходом второго элемента И-НЕ 8, первый вход которого связан с одним из выходов второго триггера 9, второй вход --- с выходом второго элемента ИЛИ-НЕ: 10 и одним из входов второго триггера 9, датчик 11 тока, подключенный к входам третьего формирователя 12 импульсов, формирователя 13 пилообразного напряжения и третьего элемента И-НЕ 14. другой вход последнего соединен с одним из выходов третьего триггера 15, первый вход которого связан с выходом третьего формирователя 12 импульсов, выход формирователя 13 пилообразного напряжения соединен с первыми входами первого и второго компараторов 16 и 17, вторые входы которых подключены к выходам задатчика 18 напряжения, выход первого компаратора 16 подклю- 5 чей к другому входу третьего триггера i 5, выход третьего элемента И-НЕ 14 соединен с другим в.ходом второго триггера 9, и генератор 19 импульсов.

Кроме того, устройство содержит фор0 мирователи 20-23 импульсов, элементы И-НЕ 24-27, третий элемент ИЛИ-НЕ 28, четверт1 1Й триггер 29, щунтирующий тяговый электродвигатель 1 и обратный диод 30. Причем выход третьего элемента И-НЕ 28 соединен с первым входом четвертого тригге5 ра 29 и первым входом четвертого элемента И-НЕ 24, другой вход которого соединен с выходом четвертого формирователя 20 импульсов, вход последнего соединен с выходом пятого формирователя 21 импульсов,

0 с третьим входом второго элемента И-НЕ 8 и первым входом пятого элемента И-НЕ 25 второй вход последнего подключен к выходу компаратора 17, выход - к первому входу шестого элемента И-НЕ 26, другой вход которого через шестой формирователь 22 им45 пульсов подключен к первому выходу первого триггера 15, второй вы.ход которого через седьмой формирователь 23 импульсов подключен к первому входу седьмого эле- мен.та И-НЕ 27, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходу

50 четвертого триггера 29 и выходу четвертого элемента И-НЕ 24, выходы njecToro и седьмого элементов И-НЕ 26 и 27 соединены с соответствующими входами первого триггера 15, другой вход четвертого триггера 29 подключен к выходу третьего элемента ИЛИ-НЕ 28, вход последнего образует вход «Сброс устройства, вход второго элемента ИЛИ-НЕ 10 образует вход «Пуск устройства.

На фиг. 2 даны следующие диаграммы: 31 и 32 - импульсы напряжения постоянной частоты первой и второй последовательностей (синхронизирующие импульсы), сдвинутые друг относительно друга на 0,5 Т соответственно на выходах пятого и четвертого формирователей 21 и 20 импульсов;

33- напряжение на выходе третьего элемента И-НЕ 14;

34- напряжение на выходе второго компаратора 17;

35- напряжение на выходе пятого элемента 25;

36- напряжение на выходе четвертого элемента И-НЕ 24;

37- напряжение на прямом выходе первого триггера 5;

38- напряжение на выходе седьмого формирователя 23 импульсов;

39- напряжение на выходе шестого формирователя 22 импульсов;

40- ток якоря ig(t) тягового электродвигателя постоянного тока и уровни тока уставки:. - соответствует напряжению U с первого выхода задатчика 18 напряжения; - напряжению U-2 с второго выхода задатчика 18 напряжения.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии генератор 19 задающих импульсов формирует последовательность импульсов постоянной частоты, по передним фронтам которых пятый 21 и четвертый 20 формирователи импульсов (фиг. 1) формируют первые 31 и вторые 32 синхронизирующие импульсы управления постоянной частоты (фиг. 2), сдвинутые относительно друг друга на 0,5 Т. Ток 40 (фиг. 2) якорной цепи электродвигателя 1 (фиг. 1) равен нулю. Датчик 11 тока генерирует импульсы напряжения с начальной частотой, которым соответствует пилообразное напряжение на выходе формирователя 13 пилообразного напряжения максимальной аплитуды, которое поступает на первые входы первого и второго компараторов 16 и 17 и больще эталонных напряжений Ui и Uz, эквивалентных первому и второму уровням токов уставок (г„| и 2 на диаграмме 40, фиг. 2), на вторых входах компараторов 16 и 17. Первый компаратор 16 формирует импульсы напряжения, которые воздействуют на первый вход третьего триггера 15, на второй вход которого постоянно поступают импульсы напряжения, формируемые третьим формирователем 12 импульсов по передним фронтам импульсов напряжения с выхода датчика 11 тока. Импульсы напряжения с инверсного выхода третьего триггера 15 суммируются третьим элементом И-НЕ 14 с импульсами напряжения датчика 11 тока, в результате чего напряжение 33 на выходе третьего элемента И-НЕ 14 равно «1, и, соответственно, первые релейные импульсы в исхолио , сос1(.)янии не формирх - ются. Напряжение 3 с выхода третьего элемента И-НЕ 14 совместно с вт1)рыми оинхро- низирующи.ми нмпу. 32 постоянно 2 частоты напряжения полаются соответственно на второй и первый входы пятого элемента H-HF 25, импульсы 36 напряжения (фиг. 2) с выхода которого HOCTyn;hH)T нл первый . ч iHecToro элемента И-Ш; 2fi. На p.xo.i - опос устройства в IICXCJ.UIOM состоянии с К()м; чдо: 111наратл :-пдается сн: - нал напряжения . которьп чггчм rneriiii элемент ИГ1И-Н1- :v;i члсйствч О ип Bionoii вход четвертого rpnii epa 29, xcuiii; ; ит.ля его в состояние «О н-ч прямом iib; .м/. u.ic,- 5 тем самым прохождение им.;,со1-; .Чв напряжения с выхода четвертсич) э,ементн И-НЕ 24 через седьмой э.-1емент 27 на первый вход первого триггера 5.

Второй компаратор 17 формирует импульсы 34 напряжения - вторые релейные 0 импульсы, которые совместно с первыми синхронизирующими импульсами 31 постоянной частоты напряжения подаются соответственно на второй и первый входы пятого элемента И-НЕ 25. Импульсы 35 напряжения г с выхода пятого элемента И-НЕ 25 мере; шестой элемент И-НЕ 26 поступают на то- рой вход первого триггера 5, устанавливая его в исходное состояние с напряжением 37 на прямом выходе, равным «1..

На вход «Иуск устройства в исходном Q состоянии с командоаппарата (юдается сигнал «1, который через второй элемент ИЛИ- НЕ 10 поступает на второй вход второго триггера 9 и первый вход второго элемент:; И-НЕ 8, устанавливая тем самым BTopoii триггер 9 в состояние с напряжением на инверсном выходе, равным «1, блокируя прохождение первых синхронизируюп1их импульсов 31 гюстояниой частоты напряжения с пятого формирователя 21 импу.пьсов 4e|ie:f второй элемент И-НЕ 8.

Ири пуске электродвигателя 1 предварительно командоаппаратом устанавливается на входе «Сброс устройства напряжение «О. На второй вход четвертого триггера 29 с выхода третьего элемента ИЛ И-НЕ 28 поступает напряжение «I. На входе «Иуск устройства устанавливается командоапна- ратом напряжение «О (фи1. П. С выхода второго элемента ИЛИ-НЕ 10 напряжение «1, поступая на первьп вход BTOpoiX) э.че- мента И-НЕ 8, прсмпскает первые синхро- низируюп1ие )1 31 постоянной часто- Q ты напряжения на открывание гирисгорно о преобразователя 2 г.о цепи: пятый формирователь 21 пмпульсои. iJTOpof элеменг И-НЕ 8, первый элемент И-НН 7, тир к-торн1)1й преоо- разсватель 2. Тирпсто рныГ i 4 nnp(i:u)ia- 2 открывается. Ток якоря И) э.чектро- 5 двигателя 1 liapacTrier.

Ири достижении рсг п шемым кжом

S

0

5

я (О второго yp(liiH Гпк;1 ItilKii

фиг. 2) BTOpoii KOMHii pjToji j

(-iO,

7

формирование вторых релейных импу 1ьсов 34 напряжения.

При достижении регулируемым током

ig(t) первого уровня тока уставки (40, фиг. 2) частота импульсов напряжения на выходе датчика И тока увеличивается до значения, при котором напряжение на выхо- де формирователя 13 пилообразного напря- жения уменьшается до значения, меньшего эталонного напряжения У; на втором входе первого компаратора 16. Первый компара- тор 16 прекращает формирование импульсов и на первом входе третьего триггера 15 устанавливается напряжение «1. Импульсы напряжения с выхода третьего формирова-- теля 2 импульсов устанавливают третий триггер 15 в устойчивое состояние -Л на инверсном выходе. На выходе третьего элемента И-НЕ 14 формируются первые релейные импульсы 32 напряжения (фиг. 2) с частотой следования импульсов с выхода датчика И тока, которые проходят через четвертый элемент И-НЕ 24 (напряжение 36, фиг. 2), седьмой элемент И-НЕ первый вход первого триггера 5, который перебрасывается в противоположное состояние с напряжением на прямом выходе, равным «О (напряжение 37, фиг. 2). Импульс 32 напряжения синхронизирующих импульсов постоянной частоты напряжения поступает на первый вход первого триггера 5 позднее первых релейных импульсов 33 управлеиик напряжения и не оказывает влияние на состояние первого триггера 5. По переднему фронту напряжения с инверсного выхода первого триггера 5 первый формирователь 4 импульсов формирует и усиливает импульс управления, который, пройдя через первый элемент ИЛИ-НЕ 3, закрывает тиристор- пый преобразователь 2, осуществляя тем самым ограничение нарастаюн1его тока электродвигателя релейным способом najiep- вом уровне тока уставки. Первые релейные импульсы 33 управления напряжения поступают также на вторые входы второго 9 и четвертого 29 TpiirrepoB, перебрасывая их в противоположные состояния, при которых напряжение «1 на прямом выходе четве;)то- го триггера 29 не оказывает воздействие на седьмой элемент И-НЕ 27. а напряжение «О с инверсного выхода второго триггера 9 блокирует прохождение первых синхронизирующих импульсов 31 постоянной частоты напряжения через второй элемент И-НЕ 8. Одновременно по нереднему фронту напряжения с инверсного выхода первого триггера 5 1нестым формирователем 22 импульсов формируется блокировочный импульс 38 напряжения, который, поступая нг второй вход шестого элемента И-НЕ 26, блокирует прохождение импульсов открывания тирис- торного преобразователя 2 на 1ряжения 35 на время протекания в тиристорном преобразователе 2 коммутационных процессов.

Ток 40 двигателя спадает до момента поступления импульса напряжения первых синхронизирующих импульсов управления постоянной частоты напряжения 31, который

проходит по цепи: выход пятого формирователя 21 импульсов, пятый элемент И-НЕ 25, П1естой элемент И-НЕ 26, второй вход первого триггера 5. Первый триггер 5 перебрасывается в исходное состояние с напряжением 37 на выходе, равным «1. По перед- нему фронту напряжения 37 второй формирователь 6 Сформирует и усиливает импульс управления, который, пройдя через первый элемент И-НЕ 7, открывает тиристорный преобразователь 2, осуществляя тем самым

ограничение спадания тока электродвигателя под воздействием первых синхронизирующих импульсов управления. По переднему фронту напряжения 37 седьмой формирователь 23 импульсов формирует блокировочный импульс напряжения 39, который,

поступая па, третий вход седьмого элемента И-НЁ 27, блокирует прохождение импульсов 36 закрывания на время протекания в тиристорном преобразователе 2 коммутационных процессов. Ток 40 якоря нарастает

5 до момента достижения первого уровня тока уставки i,,i. причем скорость нарастания регулируемого тока 40 якоря болыпе скорости спадания в диапазоне изменения коэффициента заполнения тиристорного преобразователя 27 0; 0,5 (коэффин.иент запол- 0 нения тиристорного преобразователя соответствует коэффициенту заполнения импульсов напряжения питания, подаваемых на электродвигатель в процессе регулирования его тока). По мере увеличения частоты двигателя увеличиваются 35 коэфф1ициент заполнения н амплитуда пульсаций регулируемого тока 40.

При достижении коэффициентом заполг пения значения и дальнейшем увеличении частоты вращения электродвигателя 1 сре.а.няя скорость спадания регулируемого тока в пределах периодов регулирования . начинает преобладать над средней скоростью нарастания тока якоря i j,(f) (40, фиг. 2) в пределах периодов его регулирования.

45

Нарастающий ток не достигает первого

уровня тока уставки i. поскольку первыми на него оказывают воздействие вторые синхронизирующие импульсы постоянной частоты напряжения 32, поступая при ,5

50 на закрывание тиристорного мреобразова- теля 2 и снимая тем самым напряжение питания с электродвигателя. Вследствие этого устройство не обеспечивает автоматического увеличения коэффициента заполнения до значения, соответствующего текущей вели55 чине частоты вращения электродвигателя. Регулируемый ток спадает до поступления очередного импульса напряжения первых синхронизирующих мпульсов постоянной частоты напряжения 31, поступающего на открывание тиристорного преобразователя 2. Регулируемый ток ij,(/) (40, фиг. 2) колеблется с постоянным коэффициентом заполнения ,5 относительно среднего спадающего значения регулируемого тока электродвигателя по мере увеличения частоты вращения электродвигателя до момента достижения спадающим регулируемым током второго уровня тока уставки г,2. В этот момент времени второй компаратор 17 формирует релейный импульс управления напряжения 34, который первым по отношению к очередному импульсу напряжения первых синхронизирующих импульсов управления постоянной частоты напряжения 31 приходит на пятый элемент И-НЕ 25 с напряжением 35 на выходе. Устанавливают первый триггер 5 в состояние с напряжением 37 на выходе, равным «1. Тиристорный преобразователь 2 открывается, заканчивая тем самым переход процесса, регулирования тока электродвигате.1Я от ограничения релейным способом нарастающего тока электродвигателя на первом уровне тока уставки к ограничению релейным способом спадающего тока электродвигателя на втором уровне тока уставки, регулируемый ток 40 нарастает до поступления очередного импульса напряжения вторых синхронизирующих импульсов управления постоянной частот,;, напряжения 32 на закрывание тиристорного преобразователя 2, осуществляя тем самым ограничение нарастания тока электродвигателя воздействием вторых синхронизирующих импульсов управления постоянной частоты на тиристорный преобразователь 2. Процесс релейно-импульсного регулирования тока ig(t) (40, фиг. 2) в диапазоне изменения коэффициента заполнения ,5, 1 повторяется.

При набросах или провалах напряжения питаюнхей сети меняются соответственно скорость нарастания, спадания peгyлиpye o- го тока и частотьгая информация с выхода практически безынерционного датчика 1 1 тока. Набросы или провалы напряжения питания - случайные процессы, которые могут происходить в любые моменты времени в пределах периода регулирования. Если на- бросы или провалы напряжения питания происходят в процессе нарастания регулируемого тока и имеют экстремальные значения; скачкообразной формы и значительной величины, например подключение, отключение рядом идущей единицы электрического подвижного состава, - регулируемый ток изменяет скорость нарастания и в пределах периода регулирования может изменить коэффициент заполнения от максимального до минимального и наоборот. В момент времени /1 (диаграмма 40, фиг. 2), когда регулирование тока электродвигателя осуществляется с максимальным коэффициентом за

0

5

пол нения тиристорного преобразователя L . проис.кодит наброс напряжения питания на электродвигателе 1. Средняя скорость нарастания регулируемого тока электро.ави- гателя в пределах периода регулирования увеличивается (пунктирная линия на диаграмме 40, фиг. 2), а спадания - уменьшается. В момент времени t-t регулируемый нарастающий ток электродвигателя О1 рани- чивается уже на первом уровне тока уставки ijii (40, фиг. 2), причем коэффициент заполнения тиристорного преобразователя 2 минимальный л..я периода регулирования, в пределах которого возник наброс напряжения питания, т. е.

t,,

где Т период регулирования тока (период следования синхронизируюижх импульсов управления постоянной ч;1с- тоты).

. ртоматический переход от ограничения спадания регулируемого тока электродвигателя на втором уровне тока уставки релейным способом к ограничению его нарас тания на первом уровне тока уставки релейным способом и наоборот происходит с M;IK- симальным быстродействием для конкретных изменений параметров напряжения питания и. частоты вращения электродвигате.пя.

Таким образом, регулятор обеспечивает хорошее качестг ч регулируемо1 о тока, обус- лов ьенное 1;ри П1ипиальной возможностью изменять коэффициент заполнения тиристор- ноп) преобразовате, при изменениях параметров частоты вращения электродвигате.1Я li напряжения его питания практически одновременно с изменением средних скоростей нарастания и спадания регулируемо1Ч) гока электродвигателя в преде.чах периода его регулирования. Причем одновременно с изменением коэффициента заполнения тиристорного преобразователя автоматически осупгествляется переход к устойчивому процессу ,тирования э, 1ектродвигатс,1я с ре.1ейным способом ограничения нараст; ю- щего тока электродвигателя на иервом урон- ие тока уставки при средней скорости па- раста щя тока электродвигате, 1я, большей средней скорости его спадания в преде.чах 5 периодов iH-ry. 1ироваиия тока, и,пи с pe,icii- иым способом ограничения спадающего тока электродвигателя на втором уровне тока ставки iipi; средне скорости нарастания тока э:1ектр(1дви1-ате,ля, меньшей средней скорости его спадания в пределах периодов 0 регулироваи.ия -ока. а также стабилизацией коэффициента .а1;о, пеиия тиристорного преобразователя в лиапазоне изменения ко;р|ф- фициента запол1 ;емия, б.шзкого к 0.5, г.рг. изменениях параметров частоты вращения электродвигателя i: напряжения его иигания 15о;-.дс1 ствиом псрв1 1Х и вторых сипхропизи- рук) у11рав, 1сния постоянио) часто ля па процесс рсгу. шрования тока э, 1ектродв;-1га чмя.

0

5

0

5

11

12

Изобретение относится к электрифицированному транспорту, а именно к регуляторам тока тяговых электродвигателей постоянного тока. Цель изобретения - повышение качества регулирования и надежности работы устройства. Цель достигается за счет синхронизации колебаний тока, осуществляемых в процессе ограничения нарастающего тока релейным способом на первом уровне тока уставки и ограничения спадающего тока релейным способом на втором уровне тока уставки электродвигателя двумя синхронизирующими последовательностями импульсов постоянной частоты, сдвинутыми относительно друг друга на полпериода. Устройство содержит в цепи питания тягового электродвигателя 1 тиристорный преобразователь 2, управляющие входы которого связаны с формирователями 4, 6 управляющих импульсов через первые элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ, входы формирователей 4, 6 управляющих импульсов соединены с выходами первого триггера 5, подключенного одним входом к выходу второго элемента И-НЕ, а другим - к выходу первого компаратора 16, связанного входом с выходом формирователя 13 пилообразного напряжения, генератор 19 импульсов и второй компаратор 17. В устройство дополнительно введены четыре формирователя импульсов, четыре элемента И-НЕ, третий элемент ИЛИ-НЕ, четвертый триггер 29 и шунтирующий обмотки тягового электродвигателя обратный диод 30, выход третьего элемента И-НЕ соединен с первым входом четвертого триггера 29 и первым входом четвертого элемента И-НЕ, другой вход которого соединен с выходом четвертого формирователя импульсов, вход третьего элемента ИЛИ-НЕ образует вход "Сброс устройства", вход второго элемента ИЛИ-НЕ образует вход "Пуск устройства". 2 ил.

; Предлагаемый регулятор обеспечивает п(|)вышение качества регулируемого тока з4 счет обеспечения постоянства частоты колебаний регулируемого тока и повышение надежности работы за счет исключения срывов коммутации тиристорного преобразователя.

Формула изобретения

Релейно-импульсный регулятор тока тя- гС Вого электродвигателя постоянного тока, содержащий в цепи питания тягового электродвигателя тиристорный преобразователь, один управляющий вход которого связан с выходом первого элемента И-НЕ, подклю- ч(нного входом к выходу первого формирователя импульсов, соединенному входом с первым выходом первого триггера, другой выход которого через второй формирователь иипульсов соединен с первым входом первого элемента И-НЕ, выход которого подключен к д)угому управляющему входу тиристорного преобразователя, второй вход соединен с выходом второго элемента И-НЕ, П(фвый вход которого связан с одним из выходов второго триггера, второй вход - с вы- хОдом второго элемента ИЛИ-FiE и одним из входов второго триггера, датч.-1к тока, подключенный к входам третьего формиро- вртеля импульсов, фо рмирователя пилооб- рйзного напряжения и третьего элемента И-НЕ, другой вход последнего соединен с одним из выходов третьего триггера, первый вКод которого связан с выходом третьего формирователя импульсов, выход формирователя пилообразного напряжения соеди- н|ен с первыми выходами первого и второго компараторов, вторые входы которых подключены к выходам задатчика напряжения,

выход первого компаратора подключен к другому входу третьего триггера, выход третьего элемента И-НЕ соединен с другим входом второго триггера и генератором имi пульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения качества регулирования и надежности работы устройства, в него введены второй, третий, четвертый и пятый формирователи импульсов, четвертый, пятый, шестой и седьмой элементы И-НЕ, третий эле мент ИЛИ-НЕ, четвертый триггер и щунти- рующий обмотки тягового электродвигателя обратный диод, выход третьего элемента И-НЕ соединен с первым входом четвертого триггера и первым входом четвертого эле15 мента И-НЕ, другой вход которого соединен с выходом четвертого формирователя импульсов, вход последнего соединен с выходом пятого формирователя импульсов, с третьим входом второго элемента И-НЕ и первым входом пятого элемента И-НЕ, второй вход

20 последнего подключен к выходу второго компаратора, выход - к первому входу шестого элемента И-НЕ, другой вход которого через шестой формирователь импульсов подключен к первому выходу первого триггера, вто25 рой выход которого через седьмой формирователь импульсов подключен к первому входу седьмого элемента И-НЕ, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходу четвертого триггере и выходу чег- вертого элемента И-НЕ, выхо.,ы шестого и

30 седьмого элементов И-НЕ соединены с соответствующими входами первого триггера, другой вход четвертого триггера подключен к выходу третьего элемента ИЛИ-НЕ, вход последнего образует вход «Сброс регулятора, вход второго элемента ИЛИ-НЕ обра- 35 зует вход «Нуск регулятора.

Фиг.г

tlt2