Электропривод постоянного тока Советский патент 1993 года по МПК H02K23/08 

ел С

Использование: в электроприводах крановых механизмов или экскаваторов. Сущность: позволяет без специализированного источника питания и регулирования цепи возбуждения обеспечить на двигателе с независимым или параллельным возбуждением характеристики двигателя с последовательным возбуждением. При этом сохраняется положительное свойство характеристик двигателей с независимым возбуждением - частота идеального холостого хода имеет фиксированное значение. 7 ил. 2 табл.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводе постоянного тока, например, крановых механизмов или электрических экскаваторов для придания характеристикам двигателя с параллельным или независимым возбуждением положительных свойств характеристик двигателя с последовательным возбуждением.

Цель изобретения - повышение надежности.

Поставленная цель достигается тем, что в электропривод постоянного тока, содержащий электродвигатель с независимой обмоткой возбуждения, якорная обмотка которого подключена к выводам постоянного тока мостового неуправляемого выпрямителя, первый, второй и третий выводы переменного тока которого через первый, второй и третий конденсаторы подключены соответственно к первому, второму и третьему выводам источника питания, дополнительно введены согласующий трансформатор, выпрямитель, четвертый, пятый и шестой конденсаторы, причем дополнительные конденсаторы подключены соответственно между предыдущими выводами источника питания и последующими выводами переменного тока мостового неуправляемого выпрямителя, обмотка возбуждения электродвигателя подключена к выходу дополнительного выпрямителя, вход которого подключен к выходу согласующего трансформатора, а вход последнего подключен между двумя смежными выводами переменного тока источника питания и мостового неуправляемого выпрямителя или между двумя выводами источника питания.

В целях сглаживания пульсаций напряжения на обмотке возбуждения параллельно ей на выходе дополнительного выпрямителя подключена емкость дополнительного седьмого конденсатора.

00

СП XI

ел

На фиг, 2а представлена схема замещения конденсаторных батарей; на фиг. 26 - векторная диаграмма напряжений в точках ABC и DEF схемы по фиг. 1 при холостом ходе двигателя S; на фиг, 3 - векторная диаграмма токов в основных и в дополнительных конденсаторах в режиме холостого хода двигателя и в стоповом режиме двигателя (режим короткого замыкания); на фиг. 4 - векторная диаграмма напряжений, отвечающая векторной диаграмме токов и режимам работы по фиг, 3; на фиг, 5 - векторная диаграмма токов в одной из фаз сети (на рисунке в фазе А) от источника питания, одной из фаз входа основного выпрямителя (на рисунке - в фазе D) в последовательных конденсаторах фазы А и в дополнительных конденсаторах, подключенных между точками А и Е и, соответственно, С и D схемы, а также условного вектора тока в цепи якоря двигателя для различных режимов работы двигателя по нагрузке (от стопового режима до холостого хода); на фиг. 6 - векторные диаграммы токов и на1 пряжений для графического расчета параметров предлагаемой схемы устройства для ряда точек в диапазоне режимов от стопового режима до холостого хода; на фиг. 7а и 76 - соответственно механические и скоростные характеристики двигателя с независимым или параллельным возбуждением при включении по схеме прототипа (пунктирные линии) и при включении по предлагаемому устройству (сплошные линии).

. Представленная на фиг. 1 схема устройства включения двигателя содержит после- , довательно включенные на зажимы трехфазного источника питания батареи последовательных конденсаторов 1 и трехфазный первый выпрямитель 2, к выходу которого подключена якорная цепь двигателя 3, батареи основных дополнительных конденсаторов 4, включенные соответственно между предыдущими фазами источника и последующими фазами входа первого выпрямителя, а также дополнительный второй однофазный выпрямитель 5, к выходу которого подключены обмотка 6 возбуждения двигателя и емкость 7 сглаживаю: щих дополнительных конденсаторов, последние могут отсутствовать, а вход дополнительного выпрямителя 5 подключен к выходу дополнительного согласующего трансформатора 8, который своим входом (точки М и Н) подключается в одну из фаз параллельно последовательным конденсаторам 1 (например, в точках А и D) или параллельно основным дополнительным конденсаторам 4 (например, в точках А и

Е) или между двумя выводами источника питания.

Из фиг. 1 следует, что после подключения дополнительных конденсаторов 4 в

предложенном устройстве с точки зрения электрической схемы замещения последовательные конденсаторы 1 и дополнительные конденсаторы 4 попарно образуют три плеча треугольника ABC со средними точ«ами плеч D,E,F. Причем, вершины ABC треугольника конденсаторных батарей (в дальнейшем для упрощения - просто конденсаторов) оказываются включенными на зажимы источника питания переменного тока, а трехфазный вход выпрямителя 2 оказывается включенным на средние точки D,E,F треугольника конденсаторов.

Такая схема при отсутствии нагрузки, т.е. при холостом ходе двигателя, является

трехфазным делителем напряжения для точек D,E и F (фиг. 2).

Например, при равенстве емкостных сопротивлений Xci и Хс2 соответственно конденсаторов 1 и 4 (фиг. 2, а) на входе

выпрямителя, питающего якорь двигателя, действует треугольник напряжений DEF (фиг. 2, б). При этом очевидно, что линейное напряжение на входе выпрямителя в 2 раза меньше линейного напряжения сети (треугольникаАВС на векторной диаграмме). При пропорциональном изменении сопротивлений емкостей 1 и 4, например при увеличении емкости батарей 1 и уменьшении емкости батарей 4, потенциалы точек D,E,F

по фиг. 1, а будут определяться точками DI, EI и FI , скользящими по сторонам треугольника ABC, и линейные напряжения на входе выпрямителя, питающего якорь двигателя, будут определяться треугольником DiEjFi.

При этом положение точек Di, EJ и FI определяется пропорцией:

ADj ВЕи Cfi Xci DiC EiA FjB

ХС2

0)

Изменение емкостей (и сопротивлений) Xci и Хс2 осуществляется, например, изменением от 1 до N числа конденсаторов в батареях 1 и (или) 4. При этом равносторон- ний треугольник напряжений DiEjFj скользит своими вершинами по сторонам треугольника ABC между крайними положениями DEF и ABC,

Устройство работает следующим образом.

При отключенном якоре двигателя 3 или холостом ходе двигателя напряжение на входе выпрямителя 2 характеризуется треугольником напряжений DiEiFi. определяющим условия работы двигателя в режиме, близком к холостому ходу. При этом токи холостого хода в конденсаторах 1 и 4 равны по величине и образуют симметричные 3- фазные системы (фиг. 3), а векторная диаг- рамма напряжений на соответствующих емкостях представлена на фиг. 4.

Очевидно, что величина этих точек определяется линейным напряжением сети U и суммарным сопротивлением конденсато- ров 1 и 4, а именно:

И 12

U

Xci + ХС2

(2)

При пуске двигателя 3 в стоповом режиме частота его вращения п 0 и ЭДС в соответствии с известным выражением отсутствует:

Е-Кг Ф п,

(3)

И

12

ХС2

(4)

(5)

где Ф- магнитный поток обмотки возбуждения;

Ki - коэффициент пропорционально- сти.

В этом случае, обмотка якоря, сопротивлением которой по сравнению с сопротивлением конденсаторных батарей можно пренебречь, закорачивает выход выпрями- теля 2, а через него и точки D.E.F схемы. В результате конденсаторы 1-1 и 4-1, и 4-2, 1-3, 4-3 попарно-параллельно в целом оказываются включенными на зажимы сети по схеме звезда. Токи в конденсаторах 1 и 4 определяются их сопротивлением и фазным значением напряжения источника питания:

11ф

™

иф

Векторная диаграмма трехфазных систем этих токов представлена на фиг. 3.

При этом, как и в любом другом режиме работы двигателя, в общем виде связь между токами в схеме следующая.

Ток в фазе источника питания равен, в соответствии с законом Кирхгофа, например, для узла

1д ИА + I2A .

(6)

Ток в фазе питания входа выпрямителя 2 равен, а соответствии с законом Кирхгофа, например для узла

lDm I1A+I2C

(7)

Токи входа ID и выхода Id 3- фазного выпрямителя 2 связаны известным соотношением:

(8)

(9)

Таким образом, с учетом (4) - (9) в стоповом режиме конденсаторы 1 и 4 обеспечивают ограничение тока по величине, обеспечивая в предложенном устройстве свойства прототипа (экскаваторная характеристика).

Напряжение выхода выпрямителя Ud и модуль линейного напряжения UD его входа связаны известным соотношением:

,35UD.

20

(Ю)

При изменении тока двигателя от пускового значения в стоповом режиме при п О до нуля при идеальном холостом ходе п п0 между величиной тока двигателя 1ДВ и напряжением UD на входе выпрямителя 2 (или на его выходе Ud) существует однозначная зависимость, определяемая лишь параметрами конденсаторов 1 и 4 (их сопротивлениями) и напряжением U сети. Следовательно, и зависимость ЭДС Е на зажимах якоря двигателя в (3) от тока 1Дв является столь же однозначной.

В результате из (3) следует, что скоростная характеристика двигателя nf (дв) определяется совместным действием указанной зависимости Ef ((дв ) и зависимости .) возбуждения от тока двигателя.

Точно также взаимное действие этих двух зависимостей определяет и вид механической характеристики п (Мдв) двигателя с учетом известного выражения для момента М вращения двигателя

45

М-К2-Ф-1.

ДВ(11)

0

5

Подключая цепь возбуждения двигателя точками М и Н, например, к точкам А и D в схеме фиг. 1 получим (рис. 4) однозначную связь напряжения UBX. на входе этой цепи от тока 1ДВ. с изменением этого напряжения в пределах от вектора АО в стоповом режиме до вектора AD в режиме холостого хода. При этом, если, например, выбрать коэффициент согласования Кс трансформатора 8 так, чтобы обеспечивалось номинальное напряжение на обмотке возбуждения при номинальном токе двигателя 1ДВ.ном , то очевидно, что при перегрузках двигателя поток возбуждения будет увеличиваться до величины, определяемой напряжением АО на входе цепи возбуждения, а при перегрузках уменьшаться до величины, определяемой вектором AD. Это и обеспечивает достижение поставленной цели: увеличение момента вращения на единицу тока при перегрузках и увеличение частоты вращения при недогрузках и идеальном холостом ходе.

Сама зависимость потока Фот напряжения на обмотке возбуждения двигателя может быть определена с использованием универсальной кривой намагничивания.

Очевидно, что при подключении цепи возбуждения, например, к точкам А и Е схемы фиг. 1 с учетом фиг. 4 получим принципиально отличное от случая подключения к точкам А и D изменение Dux от тока дв , т.е. при тех же параметрах схемы простым изменением места подключения цепи возбуждения можно получить новые, существенно отличные механическую и. скоростную характеристики двигателя.

В целом при пуске, независимо от соотношения XGI и Хса, напряжение в точках АО; и АЕ схемы фиг.1 равно всегда фазному напряжению сети (фиг.4), изменяясь затем (возрастая или уменьшаясь) до значения со- ответствующего напряжения холостого хода в тех же точках, которое в этом режиме определяется соотношением Xci и Хса. Очевидно, что соответствующие напряжения холостого хода, например UDAXX и UEAXX (фиг. 4) в пределе изменяются от 0,5U до О одно из них и до U другое, где U - линейное напряжение сети.

Выбор параметров схемы производится в следующем порядке.

Например, пусть при холостом ходе требуемое соотношение сопротивлений конденсаторов 1 и 4 (т.е. Xci; Xc) и напряжений на них составляет 1:3.

сопротивлениям т.е. находятся между собой в обратной пропорции.

При принятых нами условиях имеем, например, для конденсаторов 1-1 и 4-3:

НА 3 lac.

(12)

В стоповом режиме конденсаторы должны ограничивать ток в двигателе заданной

10 величиной 1дВ.п. (например двукратной величиной относительно номинального тока двигателя). По этому значению Id дв.п из (9) определяют требуемое значение тока ID на входе выпрямителя.

20

ID - V (Ид - 0,5 lac)2 + (lac -sin 60°)2. (13)

Из (13) с учетом (12) определяют требуемое значение токов: сначала НА, а затем

|2С.

Итак, в целом для конкретизации рассмотрения распределения токов и напряжений в цепях схемы для различных режимов

работы двигателя и расчета его механической и скоростной характеристик примем следующие исходные данные.

Для схемы устройства по фиг. 1 векторная диаграмма токов в конденсаторах 1 и, 4 для стопового режима (режим короткого замыкания двигателя) и режима холостого хода двигателя представлена на фиг. 3, а векторная диаграмма соответствующих напряжений - на фиг. 4..

В режиме идеального холостого хода двигателя (фиг. 1) ток на входе выпрямительного устройства 2 отсутствует, емкости 1.и 4 попарно (например 1-1 и 4-3 и т.д.) оказываются включенными последовательно в каждой фазе на линейное напряжение источников питания, под воздействием которого в этих плечах протекают токи, положительное напряжение которых на фиг. 1 принято направленным встречно, что и отражает векторная диаграмма токов на фиг. 3.

В стоповом режиме точки D, Е и F схемы фиг. 1 оказываются закороченными через выпрямитель 2 сопротивлением якоря двигателя 3. В результате (попарно) смежные конденсаторы 1 и 4 (например 1-1 и 4-11), примыкающие к питающим узлам А, В и С сети, оказываются включенными на фазные напряжения сети, токи в этих смежных плечах совпадают по фазе, обратно пропорциональны емкостным сопротивлениям конденсаторов и образуют симметричные трехфазные системы (см. фиг. 3).

При переходе от стопового режима к режиму холостого хода с возрастанием частоты вращения двигателя от нуля до идеаль ной частоты вращения холостого хода концы векторов токов смежных конденсаторов 1 и 4 (фиг. 3) скользят вдоль пунктирных линий и поворачиваются на угол 30° соответственно по часовой стрелке и против часовой стрелки.

На основании векторной диаграммы фиг. 3 построена (фиг. 5) векторная диаграмма токов: двигателя 1да (Id) (условный вектор), одной из фаз. входных токов выпрямительного моста ID, питающей сети IA и токов тех конденсаторов, которые участвуют вформи ровании этих токов, а именно конденсаторов 1-1.4-1 и 4-3.

5Построения выполнены так, чтобы обеспечивалось совмещение тока IA с действительной осью комплексной плоскости с целью удобства чтения и сопоставления с фиг. 3, на котором действительная ось также 0 направлена вертикально вверх.

Положение оси ОА расположения тока ID определяется в стоповом режиме (вектор 5Д) геометрической суммой известных из (4) и (5) токов НАК (вектор ОЕ) (вектор ЕА). 5 Из фиг. 3 следует, что ток IIAK необходимо направить вдоль действительной оси, а ток Ьск опережает его на 120°.

Ось OD расположения тока Id в соответствии с (8) опережает ось тока ID на 35°.

Дальнейшие построения производятся исходя из следующего.

По заданному току двигателя Id. направленному вдоль оси OD, в соответствии с (8) на оси ОА, повернутой относительно OD на 35°, получаем вектор, тока ID. Кроме того, токи JD и IA построены с учетом соотношений) и (6) и взаимного положения токов IIA, 2А и J2C.

В целом при постепенном плавном переходе от стопового режима к режиму холостого хода имеем:

- конец условного вектора тока двигателя скользит вдоль оси OD от точки D до точки О;

5 - конец вектора входа выпрямителя, питающего якорь двигателя, скользит вдоль оси О А от точки А до точки О; | - конец вектора тока 1д фазы сети скользит вдоль действительной оси от точки В до 0 точки С;

- вектор тока I IA поворачивается на 30° по часовой стрелке от действительной оси, а конец его скользит вдоль линии EF от точки Е до точки F;

5 - вектор тока 2С поворачивается на 30° против часовой стрелки, а конец его скользит вдоль линии MN от точки М до точки N. На диаграмме фиг. 5 выполнены также построения для промежуточного (номиналь0 ного) режима, когда через якорь двигателя течет номинальный ток (условный вектор тока ОР).

Для получения искомой зависимости ЭДС двигателя от тока его якоря, т.е. Е f (1дв) с

5 учетом пояснений по диаграмме фиг.5 на фиг. 6, а выполнены построения необходимых токов, а на фиг. 6, б - соответствующих напряжений. Причем, для удобства сопоставлений токов емкостей и отстающих от них на 90° напряжении на фиг. 6,6 комплек0

5

0

сная плоскость повернута против часовой стрелки на 90°, благодаря чему в плоскости фиг. 6 напряжения на емкостях совпадают по напряжению с токами.

Вектор OD пускового тока двигателя разбит на 10 векторов (О1,02 и т.д.) с шагом 0,2 проекции которых на ось ОА образуют соответствующие векторы (О1, О2 и т.д.) тока ID- .

Точки 1. 2, 3 и т.д. на оси ОА одновременно являются концами векторов тока J2C (последние на рисунке не приведены), а их началами являются точки 1, 2, 3 и т.д. на отрезке EF, Одновременно эти точки определяют по. величине и фазе положение вектора тока ЬА с началом в точке О.

Вектор тока J2A с началом в точке О своим концом «а отрезке КО последовательно занимает положения в точках 1, 2, 3 и т.д.

В соответствии обозначениями на фиг. 1 выразим входное линейное напряжение ODE выпрямителя 2 через падения напряжения на последовательной емкости CIJUDA) и на дополнительной емкости Cz (UEA), а именно:

UDE UDA - UEA.

(14)

При этом:

ODA - jliAXci; ОБА - JI2AXC2.

(15)

(16)

С учетом (14)-- (1 б) и векторной диаграммы по фиг. 6, а, на фиг. 6. б получены соот- , ветствующие значения этих напряжений. При этом, с учетом пренебрежения сопротивлением якорной цепи двигателя и выражения (10), имеем: .

E 1,35Uoe.

(17)

Результаты расчета по фиг. 6 обобщены в табл. 1, по данным которой рассчитаны обобщенные в табл. 2 характеристики двигателя (механическая и скоростная) для условий

- характеристики 1 - цепь возбуждения подключена к точкам AD схемы по фиг. 1, причем коэффициент согласования обеспечивает номинальное значение напряжения возбуждения при номинальном токе двигателя (принято Кс 2,86);

- характеристики 2 - цепь возбуждения подключена к точкам АЕ схемы по фиг. 1, причем коэффициент согласования обеспечивает номинальное значение напряжения возбуждения при идеальном холостом ходе (принято Кс 1.55):

- характеристики 3 - цепь возбуждения подключена к независимому источнику, обеспечивающему неизменное номинальное значение напряжения возбуждения, например к двум выводам источника питания.

Момент и частота вращения с учетом (11) и (3) и расчета в относительных единицах определялись по выражениям:

М 1ДвФ;(18)

п Е/Ф.(19)

При этом величина Ф определялась в зависимости от значения напряжения UB на обмотке возбуждения (табл. 2) по рис. 2-14, стр. 64 {1.

Очевидно, что для характеристик 3 имеет место: М 1, п - Е, т.к. Ф 1.0. На фиг. 7,а и 7,6 соответственно приведены полученные механические и скоростные характеристики, которые показывают:

при перегрузках возрастает момент на единицу тока, а при недогрузках возрастает частота вращения.

различных характеристик (характеристики 1 и 2) простым переключением места присоединения цепи возбуждения (соответственно к точкам А и D или А и Е на фиг. 1).

Заявленное техническое решение позволяет без специализированного источника питания и регулирования цепи возбуждения обеспечить на двигателе с независимым или параллельным возбуждением характеристики двигателя с последовательным возбуждением; а именно: увеличение перегрузочной способности по моменту при тех же перегрузках потоку якорной цепи и увеличение частоты вращения при малых перегрузках. При этом сохраняется положительное

свойство характеристик двигателей с независимым (параллельным) возбуждением - частота идеального холостого хода имеет фиксированное значение.

Формула изобретения

питания и последующими выводами переменного тока мостового неуправляемого выпрямителя, обмотка возбуждения электродвигателя подключена к выходу дополнительного выпрямителя, вход которого подключен к выходу согласующего трансформатора, а вход последнего подключен между двумя выводами источника питания. 2. Электропривод по п. 1,отличающий с я тем, что в него введен седьмой конденсатор, подключенный параллельно обмотке возбуждения электродвигателя.

Таблица 1

Та б л и ца2

fi f б)

Фиг. 2.

W- $:fOnM-O,2O.e.

Я

М-д: Юнм-0,2а.с

±1