Электрическая машина постоянного тока с устройством формирования коммутирующего поля Советский патент 1992 года по МПК H02K13/14 

сл

С

Использование: в машинах постоянного тока. Сущность изобретения: электрическая машина постоянного тока содержит главные полюса, дополнительные полюса, наконечники которых в тангенциальном направлении выполнены со скосом, датчик частоты вращения якоря. Дополнительно она снабжена датчиком тока якоря и датчиком тока возбуждения главных полюсов Эти датчики соединены своими выходами с входами блока расчета, который своими входами соединен с выходом датчика частоты вращения якоря и выходами блока синхронизации, вход которого соединен с выходом датчика наличия тока в цепи обмотки возбуждения главных полюсов. Выходы блока расчета соединены с управляющими входами усилителей, подающих питание на независимые обмотки возбуждения дополнительных полюсов. 10 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в коллекторных электрических машинах постоянного тока с дополнительными полюсами и компенсационной обмоткой.

Известна машина постоянного тока с дополнительными полюсами, в центре полюсных наконечников которых предусмотрен аксиальный паз, позволяющий смонтировать две дополнительные независимые компенсационные обмотки, охватывающие обе части полюсного наконечника и обеспечивающие безыскровую коммутацию машины постоянного тока. Система регулирования тока компенсационных обмоток включает две дополнительные щетки, расположенные по обе стороны каждой щетки машины постоянного тока и охватывающие безыскровую зону коллектора, датчики тока якоря и частоты вращения машины постоянного тока, множительное устройство, блоки сравнения, блоки выдержки времени, генераторы стробирующих импульсов, тири- сторные усилители с системой управления и источник питания. При протекании тока по компенсационным обмоткам дополнительных полюсов создаются м.д.с , обеспечивающиекоммутирующуюЭДС, соответствующую форме волны реактивной ЭДС коммутирующей секции обмотки якоря в период коммутации при любом токе якоря и любой частоте вращения машины постоянного тока.

Недостатком известной машины является то, что в режимах, когда характер ком- мутации практически полностью определяется полем главных полюсов (режим, близкий к холостому ходу или начало пуска), такая машина не может обеспечить удовлетворительной коммутации, так как

ы сл

00 XI

1 о

коммутирующее поле машины компенсирует только реактивную ЭДС, которая в указанных рамках незначительна. Кроме того, работа системы регулирования тока компенсационных обмоток дополнительных по- люсов основана на информации о напряжении между коллекторными пластинами, поступающей с дополнительных щеток. Установка таких щеток в промышленных условиях трудоемка, а надежность их мала.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой электрической машине постоянного тока с устройством формирования коммутирующего поля является выбранная в качестве прототипа коллекторная электрическая машина с устройством формирования коммутирующего поля, содержащая главные полюса, дополнительные полюса, наконечники которых выполнены со скосом в тангенциальном направлении, а обмотки возбуждения дополнительных полюсов получают подпитку от усилителей, уп- равляемых специальной системой управления, датчик скорости изменения тока якоря, датчики скорости изменения коммутирующего и главного потоков и датчик частоты вращения якоря.

Устройство формирования коммутирующего поля коллекторной машины позволяет, увеличивая ток, протекающий по обмоткам возбуждения группы дополнительных полюсов одной полярности (сбегающий край наконечников которых имеет меньший воздушный зазор, а набегающий край - больший воздушный зазор), и уменьшая ток, протекающий по обмоткам возбуждения группы дополнительных полюсов другой полярности (сбегающий край наконечников которых имеет больший, а набегающий край - меньший воздушный зазор) компенсировать несимметрию реактивной ЭДС относительно середины коммутационной зоны, вызванной коммутационными вихоевыми токами.

Недостатком известной машины является следующее. Обмотки возбуждения дополнительных полюсов коллекторной электрической машины с устройством формирования коммутирующего поля включены последовательно обмотке якоря. При этом коммутирующая ЭДС пропорциональна току якоря и частоте вращения якоря и компенсирует реактивную ЭДС, тогда как в режимах, близких к холостому ходу (ток якоря незначителен) или в начале пуска (частота вращения якоря мала) коммутирующая ЭДС и реактивная ЭДС незначительны и характер коммутации практически полностью определяется ЭДС, наводимой полем

главных полюсов. В двигательном режиме это поле замедляет коммутацию, в генераторном режиме ускоряет ее, Влияние поля главных полюсов на коммутацию оказывается столь значительным, что может возникнуть необходимость уже в процессе наладки готовой машины уменьшать зону коммутации при соответствующей корректировке воздушного зазора под дополнительными

0 полюсами. Сужение коммутационной зоны ухудшает технико-экономические показатели машины. Уменьшается коэффициент по- люсного перекрытия, следовательно, ухудшается использование окружности яко5 ря, при тех же геометрических размерах мощность машины уменьшается. Кроме того, корректировка воздушного зазора под дополнительными полюсами без разборки машины возможна только в случае примене0 ния специальных технических решений.

Цель изобретения - улучшение коммутации в любом режиме работы машины постоянного тока за счет компенсации реактивной ЭДС и ЭДС, наводимой в ком5 мутационной зоне полем главных полюсов. Указанная цель достигается тем, что электрическая машина постоянного тока с устройством формирования коммутирующего поля, содержащая главные полюса, до0 полнительные полюса с наконечниками, выполненными со скосом в тангенциальном направлении, датчик частоты вращения якоря, снабжена датчиками тока якоря и тока возбуждения глазных полюсов, выходы ко5 торых вместе с выходом датчика частоты вращения якоря соединены с входами блока расчета, выходы которого соединены с сигнальными входами линейных тиристорных усилителей, подающих питание на незави0 симые обмотки возбуждения дополнительных полюсов, и датчиком наличия тока в цепи возбуждения главных полюсов, выход которого соединен с входом блока синхронизации, управляющего работой блока рзс5 чета.

На фиг. 1 показана схема подключения машины к управляющим элементам; на фиг. 2 - базовые кривые реактивной ЭДС (1), ЭДС, наводимой полем главных полюсов(2),

0 ЭДС, наводимой под каждым дополнительным полюсом одной (3) и другой (4) полярности, модели которых заложены в блок расчета, результирующая коммутирующая ЭДС (5); на фиг. 3 - блок-схема блока расче5 та; на фиг. 4 - временная диаграмма работы блока синхронизации; на фиг. 5 - графики реактивной ЭДС(1), ЭДС, наводимой полем главных полюсов (2), коммутирующая (3) и нескомпенсированная (4) ЭДС для номинального режима прототипа; на фиг. 6 графики реактивной ЭДС (1), ЭДС, наводимой полем главных полюсов (2) коммутирующей (3) и нескомпенсированной (4) ЭДС для номинального режима предлагаемой машины; на фиг. 7 - графики реактивной ЭДС (1), ЭДС, наводимой полем главных полюсов (2), коммутирующей (3) и нескомпенсированной (4) ЭДС для режима, близкого к холостому ходу для прототипа: на фиг. 8 - графики реактивной ЭДС (1), ЭДС, наводимой полем главных полюсов (2), коммутирующей (3) и нескомпенсированной (4) ЭДС для режима, близкого к холостому ходу, для предлагаемой машины; на фиг, 9 - графики коммутирующей ЭДС под каждым дополнительным полюсом одной (1) и другой (2) полярностиирезультирующаякоммутирующая ЭДС(З) в предлагаемой машине с соответствующими коэффициентами усиления линейных тиристорных усилителей, подающих питание на обмотки возбуждения дополнительных полюсов, для номинального режима; на фиг. 10 - графики коммутирующей ЭДС под каждым дополнительным полюсом одной (1) и другой (2) полярности и результирующая коммутирующая ЭДС(З) в предлагаемой машине с соответствующими коэффициентами усиления линейных тиристорных усилителей, подающих питание на обмотки возбуждения дополнительных полюсов, для режима, близкого к холостому ходу.

Устройство формирования коммутирующего поля содержит датчик 1 тока якоря 2, датчик 3 частоты вращения якоря, датчик 4 тока возбуждения главных полюсов, выходы которых подключены к первому, второму и третьему входам блока расчета 5. Кроме того, устройство содержит датчик наличия тока в цепи возбуждения главных полюсов 6, выход которого соединен с входом блока 7 синхронизации, первый, второй и третий выходы которого соединены с четвертым, пятым и шестым входами блока расчета 5, выходы которого соединены с сигнальными входами линейных тиристорных усилителей

8и 9. подающих питание на независимые обмотки возбуждения дополнительных полюсов 10 и 11.

Независимое питание обмоток возбуждения дополнительных полюсов позволяет изменять не только величину, но и направление тока, протекающего по ним. Задачей устройства формирования коммутирующего поля предлагаемой машины является обеспечение в любом режиме работы машины входных сигналов qi и q2 для усилителей 8 и

9такой величины, чтобы коммутирующая ЭДС ek( (M)( ut)( wt) как можно лучше компенсировала реактивную

ЭДС ep(o)i) и ЭДС е2(ал), наводимую п коммутационной зоне полем главных полюсов. Здесь ( ел) и (wt) - ЭДС. наводимые под каждым дополнительным полюсом каж5 дои полярности при . в сумме дающие коммутирующую ЭДС ( t), амплитуда которой равна амплитуде базовой реактивной ЭДС (гж) (фиг. 2). За базовый принят режим работы машины на номинальной ско0 рости QH при номинальном токе якоря 1Н и номинальном токе возбуждения главных полюсов 1Н. Этому режиму соответствует ЭДС ( ол) (фиг. 2), наводимая полем главных полюсов в коммутационной зоне в номи5 нэльном режиме работы. Т - период коммутации.

Иными словами, нужно рассчитать такие qi и pa, чтобы ЭДС (ер( ая)+е2( &л)) была как можно лучше скомпенсирована ЭДС

0 ek(ftrt )(cwt)+q2ek2(ttrt). Здесь ер( ал) и ег( йл) - реактивная ЭДС и ЭДС, наводимая полем главных полюсов в текущем режиме работы, о)рЈ2 , р - число пар полюсов.

5 Поставленная задача решается путем точечного квадратичного аппроксимирования заданной функции f( ал )ер( ot)+e2( wt), полиномом Q( twt)qi.( wt)+q2.( wt).

По точечному способу наименьших квадратов за меру отклонения полинома 0(шг) от функции f(ftrt) принимают величину

0

S J Q()-f(wtj)2. (1)

i 1

равную сумме квадратов отклонений полинома Q( ал) от функции f( ал) на заданной

системе точек. Очевидно, что S - это функция коэффициентов qi и q2, которые нужно подобрать так, чтобы величина S была наименьшей. Для подбора qi и q2, удовлетворяющих этому условию, найдем частные

производные dS/dqiw dS/d q2. Приравнивая эти частные производные к нулю, получим систему из двух уравнений с двумя неизвестными qi и q2:

50

)е;; ЈeVV4 «rS()e«j

о;

(2)

где , . epj, erj - значения функций ( ал), ( ft). ep((tn.), er( an.) для j-й точки из системы, состоящей из п точек.

равномерно распределенных по ширине коммутационной зоны.

После раскрытия скобок и перенесения свободных членов в правые части уравнений система (2) преобразуется к виду

3s 4-г/ / ч «

I 8 frlHA,j4i i-l€Pj+e ilKr°

I 85 4Ч( . ,.7

I .j V jHepre J-e O

Таким образом, расчет входных сигналов сводится к решению системы уравнений вида:

|qiA4-q2B Ci

(qiB+q2A C2 .(4)

гдеА V (5) i

В .(6)

I 1

- постоянные величины для машины постоянного тока;

Ci Ј (epj+erj)

1 1

(7)

С2 Л (epj4erj) j 1

(8)

D

-коэффициенты, зависящие от режима работы машины.

Главный определитель системы (4) А В

А2-В2(9)

В А

-постоянная величина для машины постоянного тока, а вспомогательные определители

Ci В

CiA-C2B(10)

С2 А

Dt

D2

A Ci В С2

CaA-CiB

D2 A C1 С2А-С1В(11) - коэффициенты, зависящие от режима ее работы.

Сигналы qi и q рассчитываются по формулам

не

ия еаий

тора)

толи10)

11)

ее

орqi Di/D(12)

q2-D2/D.(13)

Блок 5 расчета включает блоки деления 13. 14 и 15. первые входы которых соедине5 ны с выходами датчиков 4, 3 и 1 соответственно, а на вторые входы поступают сигналы, соответствующие номинальным значениям тока возбуждения главных полюсов н, частоты вращения якоря Он и тока н

10 соответственно. С выходов блоков деления 13, 14 и 15 сигналы, соответствующие огно- сительным значениям тока возбуждения главных полюсов I, частоты вращения якоря О и тока якоря I. поступают на пер15 вый, второй и третий входы блока 16 хранения относительных значений, четвертый вход которого подключен к первому входу блока синхронизации 7. С первого выхода блока 16 сигнал, соответствующий

20 I, поступает на Функциональный преобразователь 17, реализующий кривую намагничивания в относительных единицах ). С выхода блока 16 сигнал, соответствующий относительному значению потока

25 главных полюсов Ф, поступает на первый вход блока умножения 18, к второму входу которого подсоединен первый выход блока 19 моделирования базового режима. С этого выхода на второй вход блока 18 поступает.

30 сигнал, соответствующий значению . Выход блока 18 подключен к первому входу блока умножения 20, на второй вход которого с второго выхода блока 16 поступает сигнал, соответствующий относительному

35 значению частоты вращения якоря О.

С выхода блока 20 сигнал, соответствующий скорректированному по току возбуждения главных полюсов и частоте вращения якоря сигналу Ј2 Ф поступает на

40 первый вход сумматора 21. С третьего выхода блока 16 сигнал, соответствующий относительному значению тока якоря I. поступает на первый вход блока умножения 22, на второй вход которого с второго выхо45 да блока 19 поступает сигнал, соответствующий значению . Выход блока умножения 22 подключен к первому входу блока 23 коррекции реактивной ЭДС по частоте вращения якоря, на второй вход кото50 рого с второго выхода блока 16 поступает сигнал, соответствующий относительному значению частоты вращения якоря О. Блок 23 реализует зависимости, полученные на основе расчетов ер( an) для различных

55 значений О. Для испытуемой машины эти зависимости имеют вид

,05. Q при О 0,4, eppO, 0+0,3 при 0,4 О 1, , ,1 при Ј 1.

Выход блока 23 соединен с вторым входом сумматора 21, с выхода которого сигнал, соответствующий алгебраической сумме (epj+erj), поступает на первые входы блока умножения 24 и 25. На второй вход блока умножения 24 с первого выхода блока 26 моделирования кривых ЭДС, наводимых под каждым дополнительным полюсом, поступает сигнал, соответствующий значению . На второй вход блока умножения 25 с второго выхода блока 26 поступает сигнал, соответствующий значению . С выходов блоков умножения 24 и 25 сигналы, соответствующие произведениям (epj+erj) и (epj+erj), поступают на интеграторы 27 и 28, которые накапливают суммы, рассчитываемые по (7) и (8). На вторые входы интеграторов 27 и 28 поступает сигнал с второго выхода блока синхронизации 7. Выходы интеграторов 27 и 28 соединены соответственно с первым и вторым входами блока 29 хранения коэффициентов Ci и С2. третий вход которого соединен с третьим выходом блока синхронизации 7, первый выход - с первым входами блоков умножения 30 и 31. а второй выход с первыми входами блоков умножения 32 и 33.

На вторые входы блоков умножения 30 и 32 поступают сигналы, соответствующие коэффициенту А (5). На вторые входы блоков умножения 31 и 33 поступают сигналы, соответствующие коэффициенту В (6). Выход блока умножения 30 соединен с первым входом сумматора 34, на второй вход которого поступает сигнал с выхода блока умножения 31, а выход соединен с первым входом блока деления 35, на второй вход которого поступает сигнал, соответствующий коэффициенту D (9). Выход блока умножения 32 соединен с первым входом сумматора 36, на второй вход которого поступает сигнал с выхода блока умножения 31, а выход соединен с первым выходом блока деления 37, на второй вход которого поступает сигнал, соответствующий коэффициенту D (9). Выходы блоков деления 35 и 37 подключены соответственно к первому и второму входам блока 38 хранения сигналов qi и Q2, на третий вход которого поступает сигнал с первого выхода блока синхронизации 7. Первый выход блока 38 соединен с входом линейного тиристорного усилителя 8 (фиг. 1). второй выход блока 38 соединен с входом линейного тиристорного усилителя 9 (фиг.

1).

Электрическая машина постоянного тока с устройством формирования коммутирующего поля работает следующим образом.

При наличии тока в цепи обмотки возбуждения главных полюсов блок синхронизации 7 выдает управлчющие смгплпы в соответствии с временной диаграммой его работы (фиг. 4). По импульсу последовательности р. получаемой на 5 первом выходе блока 7, относительные значения тока якоря I. частоты вращения А и тока возбуждения главных полюсов I фиксируются в блоке хранения относительных значений 16 до поступления следующего 10 импульса этой последовательности, т.е. на весь цикл Тц расчета новых значений сигналов qi и q2 информация в блоке 16 не изменяется, на его выходах - неизменные сигналы I, Q и I. По . -ому же импульсу 15 последовательности (р интеграторы 24 и 25 обнуляются, а рассчитанные в предыдущем цикле значения qi и q2 фиксируются в блоке хранения сигналов 38 (до поступления следующего импульса последователь- 0 ности р-, т.е. на весь цикл расчета Тц новых qi и qa информация в блоке 38 не изменяется, на выходах блока 38 - неизменные qi и q2). С приходом j-ro импульса последовательности 2 на входы блоков 19 и 26 на 5 соответствующих выходах этих блоков появляются сигналы, соответствующие , , и . Блоки 17 и 18 производят коррекцию ЭДС, наводимой полем главных полюсов, по току возбуждения главных по- 0 люсов и частоте вращения якоря, бтоки 19, 22 и 23 - коррекцию реактивной ЭДС по току якоря и частоте вращения якоря.

На выходе сумматора 21 получается алгебраическая сумма (epj+erj). На выходе бло- 5 «а умножения 24 - произведение (epj+erj). На выходе блока умножения 25 - произведение (epj+erj). На выходе интегратора 27 будет сигнал, соответствуюi

0 щий сумме (ePm+erm).. На выходе m - 1

интегратора 28 будет сигнал, соответствующий сумме Ј (epm+erm). Если j п, m - 1

§ то продолжается накопление сумм на интеграторах 27 и 28. Если , то на выходах интеграторов 27 и 28 будут сигналы, соответствующие коэффициентам Ci (7) и С2 (8), которые по импульсу последовательности

0 до будут зафиксированы в блоке 29 хранения коэффициентов до следующего импульса этой последовательности и поступят в выходную часть блока расчета (блоки 30-37). В блоках 30-37 реализуется вычисление

5 коэффициентов Di, Da и сигна/юв qi и q2. Сигнал на выходе сумматора 34 соответствует коэффициенту DL сигнал чо выходе сумматора 36 - коэффициенту D.. сигнал на выходе блока деления 35 - сигналу qi, сигнал на выходе блока 37 - сигналу q2. Цикл расчета новых qi и q2 завершен. По импульсу последовательности ,т.е. в начале следующего цикла расчетов, определенные в данном цикле значения qi и q2 фиксируются в блоке 38 и поступают с его выходов на сигнальные входы линейных тиристорных усилителей 8 и 9 до начала следующего цикла расчетов.

Блок 5 расчета вместе с блоком синхронизации 7 может быть реализован на базе управляющей вычислительной машины, При этом сигналы с датчиков поступают в управляющую вычислительную машину через аналого-цифровые преобразователи. Блоки моделирования базовых кривых ( art }, ( art ), ( art ) и ( art ) реализованы в виде массивов чисел (каждый имеет размерность п) в памяти управляющей вычислительной машины. Там же хранятся и коэффициенты IH, fik IH, А, В и D. Рассчитанные в управляющей вычислительной машине коды сигналов qi и q2 подаютсянацифроаналоговыепреобразователи. Соответствующие этим кодам аналоговые сигналы поступают на входы линейных тиристорных усилителей, подающих питание на независимые обмотки возбуждения дополнительных полюсов. При этом управляющая вычислительная машина работает только при наличии сигнала сдатчика наличия тока в цепи возбуждения главных полюсов, который может быть реализован с оптронной парой. Длительность цикла расчета определяется частотной полосой коммутационных процессов в машине постоянного тока.

Исследования заявляемой машины показали, что по сравнению с прототипом она обеспечивает более точную компенсацию реактивной ЭДС и ЭДС, наводимой полем главных полюсов. Это позволяет улучшить коммутацию в любом режиме работы машины постоянного тока. Например, в номинальномрежимевеличинанескомпенсированной ЭДС для прототипа составляет+2,7 В в начале коммутационной зоны и -2,5В в конце коммутационной зоны (фиг. 5). Причем ЭДС, наводимая полем главных полюсов, не компенсируется.

Предлагаемая машина обеспечивает в этом режиме величину нескомпенсированной ЭДС, равную +1,2В в начале коммутаци- онной зоны и +0,3 В в конце коммутационной зоны (фиг. 6). В режиме, близком к холостому ходу (I 0,1 1н), в прототипе нескомпенсированная ЭДС практически совпадает с ЭДС, наводимой полем главных полюсов, и изменяется в диапазоне от +2,38 до -2,3В (фиг. 7). Предлагаемая электрическая машина обеспечивает в этом режиме нескомпенсированную ЭДС. равную +0,8 В в начале коммутации и 0,8 В в конце коммутационной зоны.

Фиг. 9 и 10 иллюстрируют формирование коммутирующего поля в предлагаемой машине в номинальном режиме и в режиме, близком к холостому ходу, соответственно. Противоположные знаки сигналов qi и Q2 означают, что обе группы дополнительных полюсов имеют одинаковую полярность. 5 Таким образом, если при обычной схеме включения обмоток возбуждения дополнительных полюсов ЭДС,наводимые под каждым полюсом группы одной ем(од) и другой ek2(at) полярности, действуют согласно (6), 0 то при независимом возбуждении при противоположных знаках qi и Q2 ЭДС ен( м) и ek2( ал) действуют встречно (фиг. 9 и 10).

В случае многополюсной машины линейные тиристорные усилители, подающие 5 питание на обмотки возбуждения дополнительных полюсов, подключаются парал- лелйно каждой группе катушек дополнительных полюсов, соединенных последовательно друг с другом аналогичной 0 группе катушек дополнительных полюсов прототипа, создающих коммутирующее поле одинаковой полярности.

Формула изобретения Электрическая машина постоянного то- 5 ка с устройством формирования коммутирующего поля, содержащая главные полюса, добавочные полюса, наконечники которых выполнены со скосом в тангенциальном направлении, с обмотками, подключенными к 0 выходам усилителей, входы которых соединены с выходами блока расчета, и датчик частоты вращения якоря, соединенный с первым входом блока расчета, отличающаяся тем, что, с целью улучшения ком- 5 мутации в любом режиме работы за счет компенсации реактивной ЭДС и ЭДС, наводимой полем главных полюсов, она снабжена датчиком тока возбуждения главных полюсов, датчиком тока якоря, блоком син- Г; хронизации и датчиком наличия тока в цепи возбуждения главных полюсов, выход которого соединен с входом блока синхронизации, три выхода которого соединены с вторым, третьим и четвертым входами блока 5 расчета, четвертый и пятый входы которого соединены с выходами датчиков тока возбуждения главных полюсов и тока якоря.

Фиг.1

Риг.2

11

U.

ГТИ

I

muTruiJiJi-.

ч

U

л, импульсоб

У2

....-П-п.

V3

9LLI. 4

9иг.5

--t

t

-Ч

фи.г.7

1758779

Фиг 8

PU2. 9

0..52. ,1