Способ управления электроприводом постоянного тока и устройство для его осуществления Советский патент 1979 года по МПК H02P5/06 

(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ личины сопротивлений, шунтирующих обм ки добавочных полюсов. Использованный в этом устройстве способ регулирования заключающийся в уменьшении магнитног потока добавочных полюсов при росте скорости электродвигателя, не позволяе применять его для электродвигателей при работе их в быстродействующих эле троприводах с большими перегрузками, в особенности при частотах врашения ниде номинальной. Известен также способ регулирования коллекторной электрической машины, & котором нарушение баланса магнитных потоков в зоне коммутируемой секции, т.е. смещение физической нейтрали при нагрузке, в одном каком-то режиме предлагается устранять путем смещения основных рабочих щеток в определенное положение на коллекторе, определяемое равенством напряжения между вышеупомянутыми щетками и расположенными симметрично по отношению к ним дополнительными щетками 2/. Недостатками этого способа является возможность установки щеток точно на физической нейтрали только в одном режиме. Изменение положения физической нейтрали с изменением режима во время работы машины этим способом ие предусматривается. Таким Образом, решение задачи обес чения удовлетворительной коммутации электрической машины не может быть полностью решено известными применяемыми в электрических машинах средствами, даже при применении дополнительнь1х усилителей. Наиболее близким к Изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ,, который предусматривает регулирование скорости изменения тока якоря в функции максимального мёжламельного напряжен1;й. Устройство для реализации этого способ содержит источники регулируемого напряжения, подключенные к якорю электродвигателя и его обмотке возбуждения регулятор и датчик тока якоря, регулято и датчик напряжения на якоре, датчик тока возбуждения, вьщелителй модуля сигнала, две диодно-мостовые схемы и дополнительные измерительные щетки, установленные в зоне максимальных, межламельных напряжений З. Существенным недостатком-, прототип является необходимость применения измерительных теток с очень высокимО&ье ным сопротивлением, так как в противном случае через эти щетки, расположенные в зоне максимальных межламельных на- . пряжений, при закорачивании двух соседних ламелей протекает большой ток, что приводит к искрению в наиболее опасной зоне коллектора. Вышеизложенным решением предусматривается только Ограничение скорости из- менения тока якоря, но не предусматривается управление коммутацией в длительных режимах, что не дает возможности полностью использовать нагрузочные возможности электродвигателя в- длительных режимах, в особенности при большом диапазоне регулирования скорости путем регулирования тока возбуждения или может привести к значительному электроэрозионному износу коллектора и сниженИю надежности при более полном использовании нагрузочных возможностей электродвигателя. Этот недостаток особенно существенен при большом диапазоне регулирования скорости изменения тока возбуждения. Цельюданного изобретения является повышение надежности электропривода и повышение использования нагрузочных возможностей электродвигателя при его jf3a6oTe с большим диапазоном изменения скорости регулированием магнитного потока в длительных режимах работы с резкими толчками нагрузки. Поставленная цель достигается тем, что в известном способе управления электроприводом постоянного тока, включающем измерение мёжламельного напряжения электродвигателя и регулирование скорости изменения тока якоря, межламельное напряжение измеряют в точках коллектора, расположенных симметрично по OTW ношению к оси основных рабочих щеток и в функции величины этого напряокения и скорости его изк енения корректируют магнитный поток добавочных полюсов, а при превышении величиной этого напряжения допустимото значения, что свидетельствует о высоком уровне искрения на коллекторе, ограничивают величину тока якогм, В устройстве для осуществления это. о способа, содержащем электродвигатель, коллектор которого снабжен основными рабочими и дополнительными иэмерительными щетками, вентильный -преобразоватепь, подключенный своим выходом к основным рабочим щеткам последовательно включенные блок задания, регулятор частоты вращения, в цепь обратной свяли которого включена диагональ переменного тока первого диодного моста, и регулятор тока якоря, ко вхо дам которых соответственно подключены датчики частоты вращения и тока якоря, первый блок нелинейности, вход которого соединен с измерительными, щетками а выход - с диагональю постоянного тока первого диодного моста, второй диодный мост, второй блок нелинейности и датчик напряжения, добавочные полюса электродвигателя снабжены корректирующей обмоткой, присоединенной к выходу дополнительно введенного быстродействующего усилителя мощности, дополнительные из мерительные шетки установлены симметрично по отношенгао к оси основных рабочих щеток на расстоянии, не превышающем трех коллекторных делений, в него также введены источник стабилизированного напряжения, транзистор, датчик ЭДС электродвигателя и четыре резисто- ра, при этом первый зажим входа быст родействуюшего усилите ш мощности подсоединен последовательно с двумя резисторами к одной из дополнительных гаме- рительных щеток, второй зажим входа быстродействующего усилителя мощности подсоединен ко второй дополнительной измерительной щетке и одному из выводо переменного тока второго диодного моста, второй вывод переменного тока которого под ключен к общей точке двух вышеупомянутых резисторов, а диагональ постоянного тока шунтирована эмиттер-коллекторным переходом транзистора, база которого соединена с положительным выводом второго блока нелинейности и через объединенные выводы двух других резистфов подключена к источнику стабилизированного напряжения, положительный выход которого подключен к эмиттеру тр анзистора и отрицательному выводу второго блока нелинейности, входы которого соединень с датчиком напряжения и датчиком ЭДС. Способ осуществляют следующим образом.. Нарушение коммутации электродвигате ля постоянного тока в первую очередь проявляется в виде искрения под основными рабочими щетками. Если это наруш ние не вызывается механическими причи нами, в коммутируемой секции появляется ЭДС, нескомпенсированная в результа те действия магнитного потока добавочных полюсов. Чем больше эта ЭДС, тем больше искрение под сбегающим или набегающим краем щетки. При этом, чем больше некомпенсированная ЭДС в коммутируемой секции, тем больше разкость потенциалов (напряжение) между точками коллектора, расположенными симметрично по отношентпо к рабочим щеткам на расстоянии не превышающем 2-3 коллекторных деления. Данным способом предусматривается измерение этого напряжения и выработка в функции этого напряжения сигнала для корректировки.магнитного потока добавочных полюсов. В динамических режимах работы электропривода, характеризующихся высокой скоростью изменения тока якоря, для быстрого преодоления задержки регулирования магнитного потока добавочных полюсов, вызванной прин- пипиальной невозможностью скачком кзмёнить энергию магнитного поля, а также действием вихревых токов в массивных частях магнитапровода, велич1шу корректирующего сигнала в функции скорости изменения тока якоря. Если, высокая скорость изменения тока якоря или насыщение элементов магнитной цепи, по которой замьгеается магнитный поток добавочных полюсов сделают недостаточным сигнал, служащий для корректировки магнитного потока добавочных полюсов, то в зависимости от величины превышения над допустимым уровнем изме ренного напряжения между точками на коллекторе, упомянутыми выше, огра ничивают величину тока якорной цепи. Пример осуществления предложенного способа будет понятен из дальнейшего описания работы устройства, предназначенного только для осуществления данного способа. На чертеже изображено описываемое устройство. На коллекторе якоря 1 электродвигателя постоянного тока установлены основные рабочие щетки 2 и дополнительно измерительные щетки 3, причем ось щеток 3 отстоит от оси щеток 2 на рас- стоянии не превыщающем двух - трех коллекторных делений. К щеткам 2 посл« довательно с основной обмоткой 4 добавочных полюсов и входом датчика 5 тока якоря подключен выход вентильного преобразователя 6. Параллельно выходу преобразователя 6 подключен вход датчика 7 напряжения на якоре. Ко входу преобразователя 6 присоединен выход регулятора 8 тока якоря, ко входу которого присоединены вьтход регулятора 9 скорости, датчик 5 тока якоря, один, из входов по- ременного тока диодного моста 10 и анод стабилитрона 11. Катод стабилитро на 11 соединен с катодом стабилитрона 12, анод которого соединен со вторым входом переменного тока диодного моета 10, выходом блока задания 13, входом регулятора 9, Ьыходом аналогового датчика 14 частоты вращения и первым входом датчика 15 ЭДС электродвигате ля, к выходам постоянного тока диодно- го моста 10 встречно подключен выход блока нелинейности 16. Один из входных зажимов блока нелинейности присоединен к одной из дополнительных щеток: 3 и к одному из выводов резистора 17, ко второму входному зажиму блока 16 присоединены вторая измерительная щетка 3 один из входных зажимов быстродействую щего усилителя мощности 18 и один из входов переменного тока диодного моста 19, второй вывод переменного тока кото рого фисрединен к обшей точке резисторов 17 и 20, второй конец резистора , 2 О присоединен ко aropoKfy зажиму входа усилителя 18, а к выходу усилителя 18 присоединена дстолнителъная корректи рующая обмотка 21 .Добахичных полюсов. К отрицательному выводу выхода диодного моста 19 присоединен коллектор транзистора 22. К положительному вывод выхода диодного моста 19 присоединены эмиттер транзистора 22, положительный вывод стабилизированного источншса 23, отршхательный зажим вывода блока не-, линейности 24, один КЗ выводов резистора 25, другой вывод которого вместе с положительным выводом блока нелинейности 24 и одним из выводов резистора 26 присоединены к базе транзистора 22, а второй зажим резистора 26 присоединен к отрицательному зажиму источника 23. Межлу встречно включенными выводами датчика 7 напряжения и датчика 15 ЭДС включен вход блока 24, ко второму зажиму входа датчика 15 присоединен выход датчика 27 магнитного потока гла ных полюсов. Схема работает следующим образом. При остановленном электродвигателе сиг нал на выходе блока задан1ш 13 равен нулю. Поэтому равен нулю, сигнал на выходе регуляторов 9 и 8 и преобразователя 6, а также между основными щетками 2 и между измерительными щетками 3. При этом равны нулю напряжения на выходе усилителя 18, ток обмрток 4 и 21, напряжение на выходе блока 24. Напряжение на выходе блока 16 максимальло При скачкообразном изменении напряжения на выходе блока задания 13 происходит быстрое или скачкообразное (в зависимости от внутренней структуры ре- гулятора скорости 9 изменение напряжения на его выходе. Величина скачка огракичивается только при открывании стабилитронов 11, и 12 так как напряжение обратной связи по скорости, снимаемое с выхода датчика 14 равно нулю. Разность потенциалов между щетками 3 до протекания тока по якорной цепи равна нулю, так как в этом ражиме реакция якоря отсутствует и щетка находится на физической нейтрали. При отсутствии напряжения на входе блока нелинейности 16 напряжение на его выходе, приложенное к диодному мосту 1О, больше напряжения открывания стабилитронов 11 и 12. Под действием напряжения, появляющегося на входе регулятора тока 8, растет напряжение на входе вентильного nge- образователя 6 и напряжение, приложей. ное к коллектору двигателя 1 и входу датчика напряжения 7. Возникающий ток вызывает появление напряжения на выходе датчика 5, что приводит к ограни1е- нию сигнала на выходе регулятора 8. Протекание тока по якорной цепи в особенности при быстром изменении его амплитуды вызывает появление в коммутируемой секции обмотки якоря, несбалансированной вследствие действия добавочных пблюсов ЭДС, т.е. секция как бы смешается с физической нейтрали, возникает повышенное искрение, что в свою очередь приводит к noBHiiieHnoNff износу коллектора при длительном воздействии И к возможности возникновения кругового огня, если повышенное искрение сочетается с высоким уровнем межламельного напряжения. Величина нескомпенсированной ЭДС секции, измеряемой при помощи щеток 3, опредаляется следующим соотношением е.ш кСФд-Фд ) где Шд - угловая частота вращения; К - коэффициент пропорциональности, определяемый параметрами электродвигателя; фд - суммарный поток рассеяния реакции коммутируемой секции;ф - поток добавочных полюсов. Коммутация является практически без- искровой, если величина меньше па- дения напряжения в контактной паре щетка - коллектор, т.е. С 17-2 В. Поэто му, когда UJд мало, то е при любых зн чениях тока якоря не достигает опасной величины. Однако и в этом режиме напря жение цепи через резисторы 17 и 20 воздействует на вход усилителя 18, вызывая тем самым ток в обмотках 21, свою очередь, приводит к изменению потока добавочных полюсов, что бы уменьшить величину е-.Вследствие физотеской невозможности скачком изменить энергию магнитного поля добаврч ных полюсов и возникновения вихревых токов в массивных частях магнитопровсда при переменной величине тока якоря магнитный поток добавочных по.люсЬв отстает от изменений тока. Для частичной компенсации этого явления (полная компенсация принципиально невозможна) используется следующая цепь. Часть сигнала с выхода датчика 7, сравнивается с сигналом датчика 15 ЭДС. На вхопе блока 24 образуется сигнал,равный .. R- V «-EAB MV«-ltl (2) Блок 16 выделяет модуль этой разности и использует ее для изменения режима работы транзистора 22. Вследствие относительно высокой скорости нарастания тока в вентильных электроприводах L Фг- значительно боль ше, чем R J, -i J,. Поэтому режим работы транзистора 22 корректируется в первую очередь в функции скорости нарастания тока. В режиме с малым относительно стабильным током якоря режим транзистора определяется напряжением источника 23 и соотношением величин сопротивлений резисторов 25 и 26. В этом случае переход эмиттер-коллектор транзистора 22 имеет наименьшее сопротивление, через диодно-мостовую схему 19 осушеств ется частичное шунтирование входа усилителя 18 и напряжение, подводимое ко входу усилителя 18, определяется соотно шением .2. 3422.17 И минимально. При значительной величине Ц Ж Напряжение на выходе усилителя 18 вы- ше и тем достигается увеличение скорос ти нарастания потока добавочных пол1ьср 7 2.JQ с увеличением тока коллектора 1 и скорости его изменения. При значительной скорости изменения тока якоря магнитный поток добавочного полюса не успевает полностью повторять изменения тоКа якоря. Кроме тенге, при этом в комктутируеМой секции наводится нeк6 ;пeнcиpyeмaя трансформаторная ЭДС. Компенсация этого запаздывания полезного потока добавочных полюсов потребует чрезмерно большой (бесконечно большой при полной компенсации) мощности усилителя 18. Такая же мощность усилителя 18 потребуется для компенсации насыщения магнитопровода при больш$ос значениях тока якоря. Поскольку целесообразная мощность этого усилителя ограничена, ть в этих режимах в действие вступает цепь, образованная шетками 3, 8, блоком 16 нелинейности и диодао-мостовой схемой. В случае, если корректировка магнитного потока добавочного полюса, осуще ствляемая при помоши обмотки 21, по дает необходимого улучшения коммутации, и разность потещиалов между щетками 3 становится недопустимо большой, то уменьшается напряжение на выходе блока 16 нелинейности, в результате чего ограничивается напряжение на выходе регулятора 9 и, следовательно, вел1Г1и- на и скорость изменения тока якоря. В результате применения данного изобретения в электропр1гоодах, скорость электродвигателей которых регулируется как изменением напряжения на якоре, TaiT и изменением магнитного потока в большом Диапазоне, а нагрузка носит дпитель™ ный характер с возможными значительными толчками, повышается надежность электропривода и повышается испсльзова ние нагрузочных возможностей электродвигателя путем постоянного ограншё ния уровня искрения на коллекторе. Это ограничение обеспечивается корректировкой магнитного потока добавочных полюсов в функции величины межламельного напржке- ния, форсировкой корректировки магнитного потока добавочных полюсов в функции скорости изменения тока якоря и быстродейстбуюшим ограничением величины сигнала на выходе регуляторй тока якоря, т.е. величины и скорости изменения тока якоря, при превышении искрением под основными рабочими щетками доиус -. тимой величины. / и 3 о б р е о р м у л а тения 1.Способ управления электроприводом постоянного тока, включающий измерение межламельного напряжения электродвигателя и регулирование скорости изменения тока якоря, отличающийся тем, что, с целью повьниения надежности электропривода и повышения использования нагрузочных возможностей электродвигателя при работе с большим диапазоном изменения скорости, измеряют напряжение между точками коллектора, расположенными, не далее 2-3 коллекторных делений от сети основных рабочих щеток, определяют скорость изменения тока якоря и корректируют магнитный поток добавочных полюсов электродвигателя в функции измеренных величин, а при превышении величиной меж- ламельного напряжения допустимого значения ограничивают величину тока якоря. 2.Устройство для осуществления спо соба по п. 1, содержащее электродвигател коллектор которого снабжен основными рабочими и дополнительными измерительными щетками, вентильный преобразователь, подключенный своим выходом к соединенным параллельно основным рабочим шеткам, последовательно включенные блок задания, регулятор частоты вращения, в цепь обратной связи которого включена диагональ переменного тока первсаго диодного моста, и регулятор тока якоря, ко входам которых соответственно подключены датчики частоты вра щения и тока якоря, первый блок нелинейности, вход которого соединен с измерительными щетками, а выход - с диагональю постоянного тока первого диодного моста, второй диодный мост, второй блок нелинейности, и датчик напряжения, отличающееся .тем, что добавочные полюса электродвигателя 70 2 снабжены корректирующей обмоткой, присоединенной к выходу дополнительно введейного быстродействующего усилителя мощности, дополнительные измерительные щетки установлены симметрично по отношению к оси.основных рабочих щеток на расстоянии, не превышающем трех коллекторных делений, в устройство также введены источник стабилизированного напряжения, транзистор, датчик ЭДС элек тродв ига теля и четыре резистора, при этом первый зажим входа быстродействукьщего усилителя мощности подсоединен последовательно с двумя резисторами к одной из дополнительных измерительных щеток, второй зажим входа быстро действующего усилителя мощности подсоединен ко второй дополнительной измерительной щетке и одному из выводов переменного тока второго диодного моста, второй вывод переменного тока которого подключен к обшей точке двух вышеупомянутых резисторов, а диагональ постоянного тока шунтирована эмиттерколлекторным переходом транзистора, база которого соединена с положительным выводом второго блока нелинейности и через объединенные выводы даух фyгиx резисторов подкл- .чена к источнику стабилизированнся о напряжения, положительный выход которого подключен к эмиттеру транзистора и отрицательному выводу второго блока нелинейности, входы которого соединены с датчиком напряжения и датчиком ЭДС, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент Японии № 50-23721, кл. 55А21, 1975. 2.Авторское свидетельство ССС-Р № 40О957, кл, Н 02 К 23/18, 1971. 3.Авторское свидетельство СССР № 556547. кл. Н 02 Р 5/О6, 1975.