Способ управлеия электродвигателем постоянного тока и устройство для его реализации Советский патент 1981 года по МПК H02P5/06 

(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в быстродействую щих электроприводах лебедки буровых установок, главных и вспомогательных механизмов прокатных станов, механизмов копания одноковшовых экскаваторов, механизмов тяги и подъема экскаваторов-драглайнов и т.д. Режимы электроприводов постоянного тока перечисленных механизмов огра1гачиваются, гла ным образом, по условиям обеспечения необходимой надежности. В этом отношении самым слабым звеном является электродвигатель, режим работы которого, в свою очередь, ограничивается по условиям коммутации. Применение в электроприводах постоянного тока тиристорпых преобразователей с быстродействующими схемами управления вызвало особую необходимость решения задачи обеспечения надежной работы электродвигателя при большом диапазоне изменений напряжения, при ложенного к якорю и обмотке возбуждения. Известен способ согласно которому в быстродействующем электроприводе обмотку ДОба-, вочных полюсов и компенсапиош ую обмотку шунтируют тиристорным прерывателем, управление которым осуществляют в зависимости от частоты вращения электродвигателя и таким образом влияют на улучшение условий коммутации, а значит, и повышение надежности электродвигателя 1. Однако это изобретение только частично решает задачу, так как возможности рассматриваемого способа ограничены. Известен также способ управления электроприводом постоянного тока, по которому производят регулирование скорости изменения тока якоря в функции максимального межламельного напряжения коллектора, снижая опасность возникновения кругового огня 2. Однако при этом учитываются не все факторы, способные вызвать круговой огонь на коллекторе. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ управления электродвигателем постоянного тока, согласно .которому 1 осуществляют контроль качества коммутации ЭР ктродвигателя по величине искрения под рабочими щетками, преобразуют

уровень искрения в электрический сигнал, который сравнивают с заданным значением, и нри превышении заданного значения регулируют ток якоря в функции превышения 3

Существенным недостатком этого способа является то, что он не обеспечивает достаточной надежности работы электропривода постоянного тока, так как контролируемый параметр, используемый для управлешы, учитывает только один фактор, влияющий на надежность коммутации - искрение, в то время как другой фактор - большое межламельное напряжение - оставлено без внимания.

При наличии искрения на коллекторе электродвигателя постояшюго тока возможность возникновения кругового огня определяется, главным образом, величиной межламельного напряжения. При больших значениях последнего скорость развития кругового огня на коллекторе соизмерима со скоростью изменения режимов современных систем автоматического регулирования злектропривода. Отсюда управление электродвигателем в зависимости от уже возникшег искрения может привести к изменению режима электропривода зже после возникновения круго вого огня, а также к ускореннбму электроэрозионному износу коллектора, что резко снижает надежность его работы.

Известно устройство для реализащш способа управления электродвигателем постоянного тока содержащее блок задания режима, регуляторы частоты вращения и тока якоря, соединенные последовательно между собой, управляемьй вентильный преобразователь, выделитель модуля межламельного напряжения, связанный своими входами с Одной парой измерительных щеток, которые через дополнительные кольца соединены с двумя соседними ламелями коллектора, транзистор и диодный мост, подключенный входом между входом и выходом регулятора частоты вращения {4.

Это устройство позволяет уменьшить возможность возникновения кругового огня на коллекторе изменением магнитного потока дополнительных полюсов в функции максимального значения межламельного напряжения и этим ограничивает скорость нарастания тока якоря. Но в этом устройстве также не учитываются все факторы (степень искрения под рабочими щетками, скорость нарастания амплитуды межламельного напряжершя над допустимым зфовнем и т.д.), влияющие на искренне, и это не исключает возможности возникновения кругового огня, что ограничивает область применения этого устрсйства.

Целью изобретения является повышение надежности работы злектродвигателя постоянного тока путем снижения вероятности возникновения кругового огня на коллекторе электродвигателя, а также ограничения электроэрозионнрго износа коллектора.

Поставленная,цель достигается тем, что согласно способу дополнительно определяют величину максимального межламельного напряже1ШЯ на коллекторе, сравнивают его с допустиMbJM уровнем, при превышении которого уменьшают сигнал задания тока, при уменьшении результата (равнения до нуля увеличивают шгнал задания тока якоря со скоростью, пропордаональной частоте вращения якоря до величины, определяемой Допустимым уровнем искрения на коллекторе.

Поставленная цель в устройстве достигается тем, что в него дополнительно введены блок контроля качества коммутации, конденсатор и блоки управления зарядом и перезарядом конденсатора, выходы которых своими противоположными полярностями подключены совместно к обеим обкладкам конденсатора и к базе упомянутого транзистора, соединенного своим эмиттером через резистор с другой обкладкой конденсатора, к зажимам резистора подключен выход по постоянному току упомянутого диодного моста, причем входы блока управления зарядом конденсатора связаны с датчиком частоты вращения и выходом узла контроля качества коммутации, а вход блока управления перезарядом конденсатора - с упомянутым выделителем модуля.

Узел кошроля качества коммутации содержн дополнительную пару измерительных щеток, установленных симметрично относительно рабочей щетки на расстоянии, не превышающем 2- 3 ламелей от нее, причем вывода рабочей и каждой измерительной щеток подключены через диодный мост и стабилитрон к управляющей обмотке внешней отрицательной обратной связи магнитного усилителя.

Блок управления зарядом конденсатора содержит два диодных моста, выход по неременному току первого моста через эмиттер и коллектор транзистора соеданен со входом по переменному току второго моста, а выход этого блока непосредственно связан с его входом со стороны узла контроля качества коммутации.

Кроме того, блок управления перезарядом конденсатора содержит на входе стабилитрон и дополнительньш конденсатор, а на вькоде транзистор, база которого через резистор соединена с конденсатором, а коллектор - через логические элементы НЕ и И-НЕ, причем последний связан одним своим входом с коллектором второго транзистора, база которого через операщгонный усилитель присоединена к катоду упомянутого стабилитрона.

Сущность предложенного способа заключается в следующем.

При работе привода без резко изменяющихся нагрузок и без ослабления магнитного потока, когда искрение на коллекторе электродвигателя отсутствует или незначительно, ток якоря изменяют в соответств1ш с заданным режимом его работы и корректируют сигналом внутренней отрицательной обратной связи по току. Производят непрерывный контроль качества коммутации путем измерения уровня искрения под сбегающим и набегающим края,ми рабочей щетки и сравнения его с допустимой величиной. При повышении уровня искрения, (например, при срабатывании коллектора) его преобразуют в сигнал отрицательной обратной связи по уровню искрения. Последний интегрируют с больщой постоянной времени и используют в качестве управляющего сигнала ограничивающего сигнал зада1шя ш предельно допустимое .значение тока в главной цепи так, что с увеличением уровня искрения его (сигнал задания) уменьщают.

Непрерывно контролируют также межламельное напряжение на двух соседних коллекторных пластинах и скорость его изменения. Таким образом, учитывают влия1ше на эти параметры формы электромагнитного поля на всех его участках за каждый оборот якоря электродвигателя. Вь1деляют модуль напряжения и сравнивают его амплитуду с допустимой величиной, и при ее значениях, меньщих допустимого, сигнал обратной связи .по межламельному напряжению отсутствует.

I

Резкие изменения нагрузки на валу электродвигателя или уменьщение его магнитного потока вызывают повыщение как уровня искрения, так и межламельного напряжения на коллекторе. Когда при этом амплитуда межламельиого напряжения достигает максимально допустимой величины (при значительных скоростях изменения ее превышения) вырабатьгоают дискретный сигнал, пропорциональный скорости изменения ее превыщения. В функции этого сигнала с малой постоянной времени также уменьшают задание на предельно допустимую величину тока якоря и между его (сигнала) импульсами восстанавливают ее со скоростью, пропорциональной частоте вращения Якоря электродвигателя. Восстановление сигнала задания на предельно допустимый ток якоря после превышения межламельным напряжением допустимого уровня производят за время, равное времени поворота якоря электродвигателя на 360-540 эл. град. Этот цикл повторяют до тех пор, пока значение межламельного напряжения не установится в пределах допустимого. Причем значение восстановленного задания в каждом цикле ограничивают сигналом обратной

33676

связи по уровню искрения в данный момент времени.

На фиг. 1 показана блок-схема устройства; на фиг. 2 - узел контроля качества коммута5 ции; на фиг. 3 - блок управления зарядом конденсатора; на фиг. 4 - блок управления перезарядом конденсатора.

Блок 1 задания режима, регуляторы частоты вращения 2 и тока якоря 3 соединены 10 последовательно между собой. Последний связан с управляемым вентильным преобразователем 4, вход которого через датчик 5 тока соеданен с рабочими щетками 6 на коллекторе электродвигателя. Первая пара измери15 тельных щеток 7, соединенных через кольца 8 с двумя соседними ламелями коллектора, подключена ко входу выделителя 9 модуля межламельного 1гапряжения, выход последнего соединен с входом блока 10 управления пере2Q зарядом конденсатора. Выходы блока 10 управле1шя перезарядом и блока 11 управления зарядом конденсатора своими противоположными полярностями подключены совместно к обеим обкладкам конденсатора 12 и базе 2J транзистора 13, соединенного своим эмиттером через резистор 14 также с другой обкладкой конденсатора 12. Коллектор транзистора подключен к постороннему источ1й1ку. Выход по постоящюму току диодного моста 15 под- . ключей к зажимам резистора 14, а его вход

30 подключен между входом и выходом регулятора частоть враще шя 2. Входы блока 11 управления зарядом конденсатора соединены с выходами датчика 16 частоты вращетшя и узла 17 контроля качества коммутации. При этом датчик 16 частоты вращения соединен также со входом регулятора 2 частоты вращения, а датчик 5 тока - с регулятором 3 тока якоря. Узел контроля качества коммутации 17 включает вторую пару измерительных щеток 18, расположенных от рабочей щетки 6 на расстоянии, не превышающем двух-трех коллекторных делений. К рабочей щетке 6 подключена одна пара клемм входов по постоянному току диодных мостов 19 и 20, 5 а другая пара этих клемм соединена с измерительными щетками 18. К отрицателып 1М полюсам выходов этих мостов 19 и 20 присоединены аноды стабилитронов 21 и 22, соответственно, а к их катодам присоединены 50 начала двух обмоток 23 управления магнитного усршителя 24, копцы которых присоединены к положителыгым полюсам выходов соответствующих диодных мостов 19и 20. Выход усилителя 24 соединен с выходом 5 фильтра 25, выход которого является выходом узла 17 ко1ггроля качества коммутации.

Блок 11 управления зарядом конденсатора, содержит два диодных моста 26 и 27. Вход моста 26 по постоянному току является входом блока 11 со стороны датчика 16 частоты вращения, а входом со стороны узла 17 контроля качества коммутации является база транзистора 28, к которой подключены также клемма выхода моста 26 и клемма входа моста 27 по переменному току. Две другие аналогичные клеммы подключены к эмиттеру и коллектору транзистора 28. Выхбд по постоянному току диодного моста 27, связан с выходом узла 17 и является выходом блока И Блок 10 управления перезарядом кс нденсато ра 12 содержит конденсатор 29, одна обкладка которого подключена к положительному полюсу входа со стороны датчика 16 частоты враще ния и аноду стабилитрона 30, который через резистор 31 соединен с отрицательным полюсом упомянутого входа. Вторая обкладка конденсатора 29 соединена через логические элементы И-НЕ 32, НЕ 33 с коллектором транзистора 34 и через резистор 35 с его базой. Анод стабилитрона, 30 соеданен через усилитель 36, резистор 37 с базой транзистора 38. Устройство работает следующим образом. При установившемся режиме работы электро двигателя искрение хюд щетками oj сутствует или очень незначительно, а межламель ное напряжение на коллекторе не превыщает допустимого значения. Уровень искрения на коллекторе характеризуется напряжением между рабочей щеткой 6 и измерительными щетками 18. Ори отсутствии искрения, когда сопротивление контактной пары щетка-KonjKKTOp мало, напряжение между рабочей щеткой 6 и измерительными 18 также мало. Это напряжение через диодные мосты 19 и 20, стабилит юны 21 и 22 поступает на обмотку 23 внешней отрицательной обратнЫ связи по напряжению, напряжение с выхода усилителя 24 через фильтр 25 поступает я& выход 5зла 17 контроля качества к тмута 0{и и %меет максимальное значение. С выхода узла 17 напряжение поступает на один из входов блока 11 управления зарядом конденсатора 12, на второй вход блока 11 управления зарядом подается напряжевне, сни маемое с датчика 16 частоты вращения, которое прикладывается ко входу по постоянному току даодного моста 26. Одаако сигнал с датчика 16 частоты вршцешш не проходит через блок 11 управления зарядом конденсато ра, ввиду симметричности процессов в коллек торной и эмиттерной цени транзистора 28, и напряжение на выходе блока 11 управления зарядом равно максимальному напряжению, поступающему с узла 17 контроля качества коммутации. При этом напряжение с вьщелителя 9 моду ля с удаоенной частотой следования поступает 8; на вход блока 10 управления перезарядом конденсатора 12, т.е. на конденсатор 29 и стабилитрон 30. Ввиду того, что входное напряжение ниже пробивного напряжешя стабилитрона 30, он заперт, напряжение на усилителе 36 отсутствует, транзистор 38 под действием положительного смещения полностью открыт и поэтому на вход логического элемента И-НЕ 32 приходит только одий сигнал, что обуславливает его открытое состояние и закрытое состояние логического элемента НЕ 33. Поэтому коллектор транзистора 34 не получает питания и напряжейие на выходе узла 10 управления перезарядом отсутствует. Таким образом, напряжение на выходе узла 17 обуславливает максимальный заряд конденсатора 12, полное открьюание тиристора 13 и максимальное падение напряжения на резисторе 14. При этом диодный мост 15 подпирается относительно большим потенциалом, и напряжение на выходе регулятора 2 частоты вращения определяется сигналом задания блока 1 режима. На входе регулятора тока 3 сигнал обратной связи по току, снимаемый с выхода датчика 5, сравнивается с больщим сигналом задания, что обуславливает большую велитану напряжения, приложенного ко входу тиристорного преобразователя, и заданное значение тока якоря. При появлении искрения на коллекторе и большой скорости нарастания превышения межламельного напряжения в момент скачкообразного изменения нагрузки электродвигателя сопротивление контактной пары щетка - коллектор резко увеличивается. Вследствие этого, напряжение между рабочей щеткой 6 и: измерительной 18 уве1шчивается до максимальной величины. Это напряжение через диодные мосты 19 и 20, стабилитрон 21 и 23 поступают на обмотку 23 внешней отрицательной обработной связи. На выходе усилителя 24, а следовательно, и на выходе узла 17 контроля качества коммутации напряжение уменьшается. Уменьшение напряжения на выходе узла 17 контроля качества коммутации вызьшает уменьшение коллекторного тока транзистора 28, который определяется напряжением, поступающим с датчика 16 частоты вращения, и величиной напряжения на его базе, а следовательно, на выходе блока 11 управления зарядом конденсатора величина напряжения также уменьшается. Одновременно с выделителя 9 модуля на конденсатор 29 и стабилитрон 30 поступает напряжение выше допустимого уровня, с большой скоростью нарастания его превышения. Стабилитрон 30 открывается, поэтому на входе усилителя 36 появляется напряжение отртцательного знака, и по базовой цепи транзистора 38 течет ток и он запирается, а следовательно. запирается логаческий элемент 32 и отпирается органический элемент 33. Вследствие этого на коллекторе транзистора 13 появляется напряжение. На базу транзистора 13 поступает через резистор 35 шпряжение, пропорциональное скорости иэмане1шя межламельного напряжения. На выходе блока 10 управления перезарядом ковденсатора 12 имеем напряжение, пропорциональное превышению амплитуды межламельного напряжения допустимого уровня и скорости нарастания этого напряжения. При этом, исходя из описанного принципа работы узла 17 контроля качества коммутации и блоков 10 и 11 управления перезарядом и зарядом конденсатора, на конденсатор 12 пост пает одновременно напряжение противоположной полярности с блоки 10 управления перезарядом, которое разряжает конденсатор 12, и п 1шженное напряжение с блока 11 управле вш зарядом, которое заряжает конденсатор 12 до меньшей велитаны. Под действием этих Двух факторов напряжение на конденсаторе 12 умен шается с большой скоростью, а напряжение на выходе диодного моста 15 увеличивается с такой же скоростью. Это способствует сниже нию напряжения на регуляторах 2 частоты вращения, тока якоря 3, вентильном преобразователе 4, и уменьшению тока в якоре, за счет чего уменьшается искрение на коллекторе. Поскольку в данном устройстве замеряется величина межламельного напряжения у одной пары ламелей, то информация о превышёшш амплитудой допустимого уровня может носить только диосретный характер, поэтому устройством предусматривается после снижения напря жения на конденсаторе 12 с помощью блока 10 управления перезарядом новый подзаряд конде сатора 12 таким образом, что к моменту получения следующей информации о превьпиении максимального межламельного напряжения и скорости его нарастания, конденсатор 12 заряжается до уровня несколько меньшего, чем начальный. Так как величина интервала между максимумами межламельного напряжеюш обратно пропорциональна частоте вращения якоря, то эта операияя осуществляется с помощью блока 11 управления зарядом конденсатора под действием обратной связи по частоте вращения якоря электродвигателя. При этом скорость нараста1шя напряжения на конденсаторе 1.2 пропорщюнальна скорости вращения якоря и частоте следования полупериодов напряжения на выходе выделителя 9 модуля напряжения, что обеспечивает адапта цию устройства к новым условиям. Регулирование тока якОря в функции основных параметров, влияющих на степень иосрения юзволяет значительно снизить возможность возникновения кругового огня на коллекторе, повысить надежность электропривода постоянного тока. Формула изобретения I. Способ управления электродвигателем постоянного тока, согласно которому осзтцествляют koнтpoль качества коммутации электродвигателя по величине искрения под рабочими гдетками, преобразуют уровень искрения в электрический сигнал, который сравнивают с заданным значением, и при превышении заданного значения регулируют ток якоря в функции этого превышения, отличающийс я тем, что, с целью повыше шя надежности работы электродвигателя за счет ограничегшя электроэрозионного износа коллектора и снижения вероятности возникновения кругового огня на коллекторе, определяют величину максимального межламельного напряжения на коллекторе, сравнивают его с допустимым уровнем, при превышении которого уменьшают сигнал зада- НИН тока, при уменьшении результата сравнения до нуля увеличивают сигнал задания тока якоря со скоростью, пропорциональной частоте вращения якоря до величины, определяемой допустимым уровнем искрения на коллекторе. 2 Устройство для реализации способа управления электродвигателем постоянного тока содержащее блок задания режима, регуляторы частоты вращения и тока якоря, соедяненш е последовательно между Собой, управляемый вентильный преобразователь, выделитель модуля межламельного напряжения, связанный своими входами с одной парой измерительных щеток, которые через до11олю1тельные кольца соединены с двумя соседними ламелями коллектора, гранзистор и диодный мост, подключенный входом между входом и выходом регулятора частоты вращения отличающееся тем, что, с целью повышения надежности работы электродвигателя за счет снижения возможности возникновения кругового огня на коллекторе, в устройство введены узел контроля качества коммутавди, конденсатор и блоки управления зарядом и перезарядом ковденсатора, выходы которых своими противоположными полярностями подключены совместно к обеим обкладкам конденсатора и к базе упомянутого транзистора, соединенного своим эмиттером через резистор с другой обкладкой конденсатора, к зажимам резистора подключен вход по постоянному току упомянутого диодного моста, причем входы блока управления зарядом конденсатора связаны с датчиком частоты вращения и выходом узла контроля качества коммутадаи, а вход блока управления

перезарядом конденсатора - с ynoMHHyjbiM выделителем модуля.

а выход этого блока непосредственно связан с его входом со стороны узла контроля качества коммутации.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент Японии № 4815401, кл. 55 А 21,

2 Авторское свидетельство СССР N 556547,

кл. И 02 Р 5/06, 1975

4.Авторское свидетельство СССР по заявке NO 2521496, кл. Н 02 Р 5/06, 19718.