Тепловая модель электродвигателя Советский патент 1981 года по МПК H02K11/00 H02K29/14 H02H6/00 H02H7/85 

(54) ТЕПЛОВАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

1

Изобретение относится к электротехнике , а именно к системам элект-. ропривода, использующим тепловое токоограничение. К таким приводам относятся электромеханические системы промышленных роботов-манипуляторов, экструзионных машин, экскаваторов, электротрансмиссии подвижных объектов кузнечно-прессовых машин..

Известны тепловые модели П3 где указано, что для того чтобы предельно использовать возможности двигателя по динамическому моменту и ускорению в режимах кратковременных перегрузок и в то же время не допустить уменьшения ресурса из-за превышения допустимого нагрева изоляции, необходимо вводить токовое ограничение с переменным уровнем, зависящим от превьш1ения температуры якорной обмотки . В систему вводится учреждающее тепловое токоограничение, при котором уставка максимального тока зависит от перегрева яКоря. Зависимость

величины уставки от температуры перегрева формируется функциональным преобразователем (тепловой моделью двигателя) .

Известна также тепловая модель электродвигателя (2), которая представляет собой спиральный проводник, обмотанный вокруг изолированной металлической пластины. В непосредственной близости от пластины располага10ется датчик температуры (термистор) . Датчик, пластина и проводник покрыты слоем бандажа и компаунда. Постоянная времени нагрева изменяется за счет изменения толщины пластинки и числа

15 слоев бандажа. Такая физическая модель обладает следующими недостатка ми:.

наличие специального датчика температуры усложняет конструкцию моде20ли и снижает ее надежность;

Устройство моделирует только электротепловые процессы без учета потерь в стали, характерных для двигателей С печатным якорем. Это не позволяет использовать модель с обычными электродвигателями, у которых потери в стали достигают примерно .15-20% от всех потерь; невысокая степень универсальности, вызванная, специфическим назначением модели. Наиболее близким решением к изобретению является теп:ровая модель электродвигателя . Известная модель представляет собой обмотку .из провода с тем же температурньм коэффициентом сопротивления, как и обмотка якоря,.снаружи обмотка покрыта теплоизоляцией, авнутри нее располор жен нагреватель. Модель снабжена управляемым источником переменного тока и демодулятором, вход которого вместе с обмоткой присоединен к выходу управ ляемого источника. Термочувствительны элемент-сердечник выполнен из материала, одинакового с материалом магнитной цепи якоря двигателя. ,В случае выполнения цепи токстограниченйя двига телей постоянного тока на стороне переменного напряжения необходимость в управляемом модуляторе отпадает, функции демодулятора выполняет выпрямитель, включенный через стабилитрон на вход блока управления вентилями преобразователя. Недостатком данного устройства является неполная адекватность процессов, протекающих в модели и в оригина ле, вызванная этим низкая точность мо делирования. На холостом ходу потери в меди ротора двигателя постоянного тока минимальны вследствие небольшого значения тока холостого хода относительно номйнального, а потери в стали наоборот максимальны, так как они пропорц ональны частоте циклического перемаг ничивания (частоте вращения, которая максимальна на холостом ходу . При н бросе нагрузкидо номинальной, а так же вплоть до полного останова происходит резкое увеличение потерь в меди, а доля потерь в стали уменьшаетс с уменьшением частоты вращения. На интегральную температуру обмотки изм нение ее сопротивления и температурное изменение тока двигателя, таким образом, оказьтают влияние оба вида потерь, причем при минимальной нагру ке основная доля приходится на потери в меди, при увеличении нагрузки. их доля уменьшается, а потери в меди 794 резко возрастают. При номинальной нахрузке для машин общепромьшшенных серий при частотах вращения I5003000 об/мин доля потерь в стали относительно всех потерь составляет примерно 15-20%. При этом для высокооборотных мащин этот процент гораздо выше. Доля потерь в стали в общем балансе тхотерь увеличивается также при. увеличении частоты вращения вьщ1е номинальной при двухзонном регулировании скорости (ослаблением потока) или при повьпиении частоты вращения из-за технологических причин (сброс нагрузки,действие активных моментов и т.п.) . Неучет этого обстоятельства при применении вышеуказанной модели в качестве элемента токоограничения приводит к определенным ошибкам в задании уровня токоограничения. В частности, приминимальной нагрузке, сигнал с датчика тока также невелик. Teh-, ловые нагрузки в дросселе . включенном на выход трансформатора тока, также невелики, и, следовательно, уровень токоограничения изменяется незначительно. Между тем, из-за потерь в стали температура обмотки ротора и ее сопротивление изменяются в небольших (до 5%) пределах. При увеличении нагрузки сигнал с датчика тока увеличивается, потери в меди дросселя растут пропорционально потерям в меди якоря. В соответствии с этим меняется и уровень токоограничения. Однако, двигателе потери в стали уменьшаются с увеличением нагрузки и уменьшением частоты вращения, в дроссельной тепловой модели потери в стали, обусловленные намагничивающей силой обмотки, также возрастают, что приводит к нагреву сердечника и дополнительному перегреву обмотки. Таким образом, при мальпс нагрузках наблюдается увеличение уровня токоограничения из-за дополнительного увеличения температуры модели, что приводит к недоиспользованию машины. Это недоиспользование достигает 20% относительно уровня основной уставки, рассчитанной по потерям в меди. Целью изобретения являются увеличение точности моделирования путем учета потерь в стали, повышение степени адекватности модели при перегре электродвигателя. Указанная цель достигается тем, что в модель введены второй сердечник с двумя обмотками и дополнительная обмотка на первом сердечнике, причем од на пара обмоток сердечников включена согласно и подсоединена к датчику тока, а другая пара включена встречно и присоединена к датчику частоты вращения . На чертеже изображена тепловая модель . Тепловая модель электродвигателя входит в состав узла токоограничения замкнутой системы электропривода ТП-Д Система имеет двиг.атель 1 , питающийся от тиристорного преобразователя 2 На стороне переменного напряжения включен трансформатор 3 тока, параллельно вторичной обмотке которого включена Тепловая модель 4, представляющая собой обмотки 5 и 6, включенные согласно и намотанные на сердечнике 7 и 8, на которые также намотаны обмотки 9 и 10, включенные встречно. Далее модель соединена, как обычно, с выпрямителем, стабилитроном, на грузочными резисторами, посредством .:которых сигнал подается на промежуточ ный усилитель I1. Далее сигнал токоограничения суммируется с управляющим .сигналом от блока 12 управления и подается на цепи системы импульсно-фазового управления (.СИФУ 13. С двигателем на одном валу сидит тахогенератор 14.постоянного тока, который чере модулятор 15 подключен к обмоткам 9 и 10 тепловой модели, В случае применения тахогенератора переменного тока установка модулятора не требуется. Кроме того, .в случае достаточного уровня оборотных, полюсных или зубцовых пульсаций тахогенератора, возможно питание обмоток 9 и 10 непосредственно от выходных зажимов тахогенератора через соответственно подобранный разделительный конденсатор. Работа системы с тепловой моделью происходит следующим образом. Двигатель 1 отрабатывает заданный режим работы при помощи преобразовате ля 2, усилителя I1, блока 12 и модуля тора 15. В начальный период времени или при работе на небольшие нагрузки двигатель имеет температуру, близкую к температуре окружающей среды. Коэффициент обратной связи по току имеет определенное, постоянное значение, определяемое конструктивными параметрами мащины и параметрами трансформатора тока и обмоток 5, 6, 9, 10. При дальнейщей работе системы в каждом из ее элементов происходит преобразовани 96 энергии из электрической в тепловую. При этом элементы и система в целом могут пропустить энергетический поток выше определенной интенсивности. Мгновенные значения температуры якоря ограничены различными физическими явлениями, связанными с фазовыми переходами в проводниках, изоляции, магнитных материалах и приводящими к вь1ходу из строя. При нагреве происходит изменение сопротивления якоря, что приводит к изменению коэффициента передачи цепи токоограничения. Изменение температуры якоря происходит вследствие разного рода потерь. Одни из них пропорциональны току нагр узки и моменту (потерь в меди) , другие - пропорциональны частоте вращения (потери в стали, механические, вентиляционные) . Тепловая компенсирующая модель А представляет собой устройство для алгебраического суммирования сигналов, пропорционешьных этим потерям, и ввода соответствующей поправки. Сигнал, пропорциональный току, подается на обмотки 5, 6 и моделирует потери в меди. Сигнал, пропорциональный частоте вр ащения подается на обмотки 9 и 10 и моделирует потери в стали. Элементом суммирования служат сердечники 7 и 8, которые одновременно являются дополнительными нагревателями и служат в качестве теплоаккумуляторов для моделирования постоянных времени нагрева двигателя. Для целей теплоаккумулирования служит и изоляция между сердечником и обмотками. Разделение сердечников произведено в целях выделения потерь на вихревые токи, пропорциональные частоте вращения. Рассмотрим работу привода с максимальной скоростью. .При этом сигнал на обмотках 5 и 6 относительно невелик, уровень перегрева этих обмоток и изменение их сопротивлений также малы. Однако сигнал на обмотках 9 и 10 максимален. Вследствие этого уровень перегрева сердечников 7 и 8 и, по прошествии времени разогрева, и перегрев обмоток 5 и 6, будет Определяться сигналом с модулятора 15, т.е. потерями в сталиротора, максимальными при больших частотах вращения. Рассмотрим теперь работу привода с минимальной скоростью и максимальной нагрузкой. Тогда сигнал на обмотках 5 и 6 будет максимален, а сигнал на обмотках 9 7 и 10 незначителен. Уровень перегрева обмоток 5 и 6, и, следовательно,подстройка токоограничения будет опреде ляться потерями в меди самих обмоток и потерями на вихревые токи в сердеч никах 7 и 8, действующими на перегре обмоток с постоянной времени теплово связи сердечник-обмотка. Таким образом, уровень компенсации определяетс только потерями в ме;;и. Во всех других промежуточных случаях будет наблюдаться определенный сигнал и на обмотках 5 и 6, и на обмотках 9, 10, а уровень интегрального перегрева, и, следовательно, уровень компенсаци будет пропорционален суммарным потерямПрименение изобретения позволяет повысить точность обратной связи по току, а следовательно и точность системы в целом. Это становится возможным благодаря температурной компенсации сигнала обратной связи по току, приведет к noJrtcoMy использованию двигателя по нагреву, т.е. повышению эффективности работы механизма. В то же время ток двигателя не может превысить допустимых пределов. Это повышает срок службы изоляции, а следовательно, и самого электродвигателя . 98 Формула изобретения Тепловая модель электродвигателя, содержащая датчик тока, ферромагнитный сердечник с обмоткой и модулятор, отличающаяся тем, что, с целью повышения степени адекватности и увеличения точности моделирования путем учета потерь в стали при перегреве электродвигателя, в нее введены второй сердечник с двумя обмотками и дополнительная обмотка на первом сердечнике, причем одна пара обмоток сердечников включена согласно и подсоединена к датчику тока, а другая пара включена встречно и присоединена к датчику частоты вращения, выПОЛНФ1НОМУ в виде тахогенератора постоянного тока. 2. Модель по п. 1 , о т л и ч. а ю щ а я с я тем, что в качестве датчика частоты вращения использован тахогенератор переменного тока. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе .. 1. Каган В.Г. Электроприводы с предельным быстродействием для систем воспроизведения движений. - М., Энергия, 1975, с. 222-224. 2.Авторское свидетельство СССР № 512531, кл. Н 02 К П/00, 1973.. 3.Авторское свидетельство СССР № 74864Г, кл. Н02 Н 7/08, 1978.