Устройство для регулирования тока возбуждения электрической машины постоянного тока Советский патент 1981 года по МПК H02P5/00 

I

Изобретение относится к электротехнике и может быть применено в электроприводе буровых и металлообрабатывающих станков, экскаваторов, вспомогательных механизмов прокатных станов.

Известно устройство, содержащее встречно-параллельно включенные тиристоры, 5 диоды, конденсатор и резисторы, предназначенное для управления переменным токрм в индуктивной нагрузке 1.

Недостатком этого устройства является то, что ток силовой цепи проходит не только .. через тиристоры, но через силовые диоды, что увеличивает габариты и стоимость устройства. Кроме того, это устройство не может быть применено для управления током в такой большой индуктивности, как обмотка возбуждения машины постоянного 5 тока, так как в нем не предусмотрен путь для разряда энергии магнитного поля.

Известно также устройство, которое содержит два встречно включенных тиристора, подключенных одним концом к первому выводу однофазного источника переменного 20 тока, а вторым концом соединенных с первым выводом обмотки возбуждения и конденсатора, вторые выводы которых присоединены ко второму выводу источника переменного тока, при этом управляющие переходы тиристоров присоединены к выходам систем импульсно-фазового управления 2.

Недостатком этого устройства является значительное искажение формы напряжения питающей сети, так как в момент открытия тиристора ничем не ограниченный, кроме сопротивления сети, ток заряда конденсаторов .приводит к искажению формы напряжения сети и к снижению циклоустойчивости тиристора. Это в свою очередь приводит к.снижению надежности.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для регулирования тока возбуждения электрической машины постоянного тока, содержащее источник переменного тока, к которому одним из выводов подключена пара встречно-включенных тиристоров, соединенные параллельно обмотка возбуждения и конденсатор, узел управления включением и фильтр 3.

Недостатками устройства являются наличие потерь в постоянно включенном активном сопротивлении фильтра, невозможность использования устройства для питания обмотки возбуждения при наличии только источников перемениого тока без дополнительных выпрямителей, невозможность без .наличия дополнительного регулируемого источника постоянного тока регулировать ток. обмотки возбуждения, а также управлять током заряда конденсатора.

Целью изобретения является улучшение энергетических характеристик,

Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены вторая пара встречно включенных тиристоров, двухобмоточный дроссель, обмотки которого имеют различающееся в 2-3 раза число витков, компаратор, .два логических элемента И, датчик тока возбуждения и полное сопротивление, при этом обмотки дросселя размещены на общем сердечнике и включены встречно, второй вывод первой пары тиристоров соединен с первой общей точкой второй пары тиристоров, и одним из выводов полного сопротивления, второй вывод которого вместе со второй общей точкой второй пары встречно включенных тиристоров подключен к началу обмотки дросселя, имеющей меньшее число витков, конец которой, соединенный с концом второй обмотки дросселя и одним из выводов фильтра, подключен к одному выводу конденсатора, второй вывод которого соединен через датчик тока возбуждения и обмотку возбуждения с началом второй обмотки дросселя и непосредственно - с источником переменного тока и входом компаратора, причем ко входу узла управления включением подключен выход датчика тока возбуждения, а ее выходы соединены с управляющими входами первой пары тиристоров непосредственно, а с управляющими входами второй пары тиристоров - через логические элементы И, вторые входы которых связаны с выходом компаратора.

В устройстве в качестве полного сопротивления может быть применена дополни.тельно намотанная на дроссель третья обмотка, число витков которой в 2-3 раза превышает число витков обмотки, имеющей большее число витков, причем своим началом дополнительная обмотка подключена к общей точке первой и второй пары тиристоров.

Компаратор в предлагаемом устройстве содержит трансформатор, выводы первичной обмотки которого являются входом компаратора, две диодно-мостовые схемы, регулируемый резистор, элемент сравнения, усилитель мощности и импульсный трансформатор, причем вторичная обмотка трансформатора соединена с выводами переменного тока первой диодно-мостовой схемы, -выводы постоянного тока, которой подключены к регулируемому резистору, подвижный контакт которого и один из выводов постоянного тока первой диодно-мостовой схемы

подключены к одному входу элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом постоянного тока второй диодномостовой схемы, вход переменного тока которой является вторым входом компаратора, а выход элемента сравнения через усилитель мощности подключен к первичной обмотке импульсного трансформатора, вторичная обмотка которого служит выходом компаратора.

На фиг. I изображена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - схема логического элемента И; на фиг. 3 - схема компаратора, на фиг. 4 - схема блока управления включением тиристоров.

5 Обмотка 1 возбуждения электрической машины своим концом (начало обозначено точкой) последовательно с датчиком 2 тока возбуждения подключена к одному выводу исто1|ника 3 переменного тока, ко второму выводу которого присоединен анод первого

оптронного тиристора 4 и катод второго оп-. тронного тиристора 5. Катод тиристора 4 и анод тиристора 5 соединены с анодом оптронного тиристора 6, катодом оптронного тиристора 7 и первым выводом полного сопротивления 8 (активно-индуктивного), второй вывод которого соединен с анодом ти ристора 7, катодом тиристора 6 и началом обмотки 9 с меньшим числом витков, расположенной на одном сердечнике 10 дросселя с обмоткой 11, включенной встречно обмотке 9 и имеющей число витков в 2-3 раза больше. К общей точке обмоток 9 и 11 подключен первый вывод конденсатора 12 фильтра 13, состоящий, например из последовательно соединенных резистора и конденсатора, второй вывод которого подключен

ко второму выводу конденсатора 12 и второму выводу источника 3. Выход датчика тока 2 соединен с первым входом узла 14 управления включением тиристоров на вторые входы которого подается задающее

0 напряжение. Питание на вход узла 14 управления включением подается со входов источника 3 переменного тока. Выходы узла 14 управления включением подключены к первым входам логических элементов 15 и 16 И. к управляющим электродам оптрон5 ных тиристоров 4 и 5, причем выходы и входы элементов 15 и 16 имеют общую точку с выходом узла 14 управления включением, с катодами светодиодов оптронных тиристоров 4-7 и с выходом компаратора

..17. Вторые входы логических элементов 15 и 16 соединены между собой и с первым выходом компаратора 17, первый вход которого подключен параллельно выходу фильтра 13, а второй вход компаратора 17 к .выходным зажимам источника 3 перемен5 ного тока.

Выходы Логических элементов 15 и 16 подключены к анодам светодиодов оптронных тиристоров 6 и 7.

Логический элемент И (фиг. 2) собран на транзисторах 18 и 19, диоде 20, включенном последовательно с резистором 21 в эмиттерной цепи транзистора 19. Резистор 22 в коллекторной цепи транзистора 18, резисторы 23 и 24 имеют общую точку с базой транзистора 18. Резистор 25 включен между вторым входом элемента и общей точкой эмиттера транзистора 18 и базы трайзистора 19.

Вывод резистора 22, включенного в коллекторную цепь транзистора 18, является первым входом логического элемента. Вторым входом элемента служит подключенный к базе транзистора 18 резистор 23.

Вывод резистора 26, включенного в коллекторную цепь транзистора 19, является первым выходом элемента. Второй выход элемента - общая точка катода диода 20 и резистора 21.

Первым входом компаратора 17 (фиг. 3) является первичная обмотка трансформатора 27, вторичная обмотка которого подключена к входу переменного тока диодно-мостовой схемы 28. Ко второй диагонали этой схемы через фильтр 29, состоящий из последовательно соединенных резистора и конденсатора, параллельно подключен регулируемый резистор 30, один из выводов которого является общей точкой для элемента сравнения 31 {компаратора или триггера Шмитта), усилителя мощности 32, первичной обмотки импульсного трансформатора 33 и диод но-мостовой схемы 34. К подвижному контакту резистора 30 подключен первый вход элемента 31 сравнения, второй вход элемента 31 сравнения присоединен к выходу схемы 34, выход элемента 31 сравнения связан со входом усилителя мощности 32, к выходу которого подключена первичная обмотка импульсного трансформатора 33, вторичная обмотка которого является выходом компаратора 17.

Блок управления включением тиристоров (фиг. 4) выполнен в виде системы импульсно-фазового управления.

Блок состоит из последовательно соединенных резистора 35 и встречно-параллельно включенных диодов 36 и 37, которые включены между входом формирователя 38 прямоугольных импульсов (например, транзисторного усилителя на составных транзисторах) и общей точкой формирователя 38 и усилителя 39 мощности. Выходы формирователя 38 связаны со входами усилителя 39. Выходы усилителя 39 подключены к выходам магнитных усилителей 40 и 41 с внутренней положительной обратной связью.

Выходы магнитных усилителей 40 и 41 соединены со входа импульсных усилителей 42 и 43 мощности (например, одноили трех-каскадных импульсных транзистор. ных усилителей). Выходы усилителей 42 и 43 являются выходами узла 14. Узел выбора рабочей точки магнитных усилителей отрицательной связи по четным гармоникам и другие вспомогательные цепи на схеме (фиг. 4) не показаны.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.

При поступлении задания на вход узла управления включением в зависимости от полярности сигнала задания управляющий широкий импульс поступает на вход светодиода оптронного тиристора 4 и вход логического элемента 15 или на вход светодйода оптронного тиристора 5 и на вход логического элемента 16.

В результате происходит открывание одного тиристора, например 4, и через сопротивление 8 напряжение переменного тока с выхода источника 3 через тнристор 4, полное сопротивление 8, обмотку 9 дросселя 10 поступает в виде положительной полуволны на обкладку конденсатора 12, вход фильтра 13 и через встречно включен0 кую обмотку 11 дросселя 10 на. обмотку 1 возбуждения электрической мащины и на второй вход фильтра 13.

Ток заряда конденсатора 12 ограничивается сопротивлением 8, что уменьшает искажение формы напряжения источника питания. По мере заряда конденсатора 12 растет и напряжение на выходе фильтра 13, т. е. на первом входе компаратора 17. Когда конденсатор 12 зарядится до напряжения близкого к напряжению на выходе источ0 ннка 3, на выходе компаратора 17 появится сигнал, который поступит на вторые входы логических элементов 15 или 16, на выходе которых в зависимости от полярности сигнала задания появится .сигнал.

5 Совпадение сигналов на двух входах элементов 15 или 16 рызывает появление сигнала на их выходе, что приводит к срабатыванию оптронных тиристоров 6 или 7 и к закорачиванию сопротивления 8 и увеличению темпа заряда конденсатора 12. Когда напряжение на конденсаторе 12 станет близким к напряжению на выходе источника 3, ток тиристоров 4 и 6 или 5 и 7 станет меньше тока удержания и они закроются.

5 Одновременно под действием напряжения на конденсаторе 12 происходит рост тока в обмотке 1. Этот ток вызывает появление сигнала на выходе датчика 2 тока возбуждения. Образовавшаяся связь по току возбуждения действует против за0 Дания, уменьшая по мере роста тока возбуждения угол открывания тиристоров 4 или 5 в последующие полупериоды.

Во время заряда конденсатора 12 ограничение тока заряда происходит также вследствие действия индуктивности обмот-. кн 10. При этом при заряде конденсатора 12 происходит намагничивание сердечника 10 дросселя с одной полярностью, а при последующем разряде конденсатора 12 на обмотку 1 происходит перемагничивание сердечника дросселя с обратным знаком, что позволяет существенно снизить габариты дросселя и потери мощности в его -обмотках.

Во время последующих рабочих полупе- j риодов при росте или установившемся значении тока обмотки I возбуждения характер процесса дпределяется величиной остаточного напряжения на конденсаторе 12 в мо: мент начала следующего рабочего полупериода. При напряжении на конденсаторе Ю меньшем, чем требуется для срабатывания компаратора 17, процессь открывания тиристоров протекают так, как это было уже описано выще. Если конденсатор к моменту прихода импульса на управляющие электро- .. ды тиристоров заряжен до напряжения срабатывания компаратора 17,. открываются практически одновременно транзисторы 4 и 6 или 5 и 7 и начинается процесс подзарядки конденсатора 12, а в дальнейшем вышеописанный процесс.20

При уменьшении или реверсировании задающего сигнала суммарный сигнал на входе узла 14 управления включением тиристоров меняет знак. Поэтому, например, при открывании в предшествующем режиме тиристоров 4 и 6, происходит открывание тиристора 5 и перезаряд конденсатора с полярностью предыдущего режима. Ток перезаряда конденсатора и искажение формы напряжения сети ограничивается, как уже известно сопротивлением 8 и индуктив- д ностью обмотки 9. Одновременно происходит перезаряд конденсатооа 12 за счет энергии, запасенной обмоткой 1. Поэтому в данном режиме максимальное напряжение заряда конденсатора выше напряжения питания сети, что обеспечивает форсировку режи- 35 мов спадания потока.

После получения требуемой величины и полярности тока обмотки возбуждения форсировка снимается за счет открывания тиристоров противоположной полярности.

Логический элемент работает следующим образом.

- При отсутствии сигналов на входах логического элемента И, роль которых выполняют выводы резисторов 22 и 23 в цепи j коллектора и в цепи, базы транзистора 18, транзисторы 18 и 19 заперты за счет действия : положительного смещения на нелинейном сопротивлении, состоящем из резистора 21 и диода 20, и токов базовых выводов транзисторов, протекающих через ре- 50 зисторы 24 и 25. Режим работы транзистора 19 стабилизируется также резистором 26. При поступлении только одного сигнала, например положительного на первый вход логического элемента, т. е. на коллектор транзистора 18, транзисторы 18 и 19 оста- -, ются запертыми за счет описанного выше положительного смещения на эмиттере транзистора 19. При подаче одного положительного сигнала на второй вход логического элемента, т. е. на базовый вывод транзистора 18, образуется малый ток по цепи; резистор 23, переход база-эмиттер транзистора 18, переход база-эмиттер транзистора 19, диод 20, резистор 21. Сопротивление резистора 21 в 100-300 раз меньше сопротивления резистора 23. Поэтому напряжение на нагрузке по уровню, ка.к и прежде, близко нулю.

Только при наличии положительных сигналов на обоих входах элемента И транзисторы 18 и 19 открываются и на резисторе 21 появляется сигнал, соответствующий логической «1. При этом второй вход обладает высокой чувствительностью.

Схема компаратора (фиг. 3) работает следующим образом.

Напряжение, пропорциональное напряжению источника 3, действующее на выходе вторичной обмотки разделительного трансформатора 27, выпрямляется при помощи диодно-мостовой схемы 28. Напряжение на выходе диодно-мостовой схемы 28 заряжает до амплитудного значения конденсатор фильтра 29, так как сопротивление резистора 30 выбирается высоким, часть этого напряжения, определяемая соотношением плеч резистора 30, поступает на первый вход элемента 31 сравнения. На второй вход элемента 31 сравнения через диодную схему 34 поступает напряжение с конденсатора 12 (фиг. 1). Когда эти напряжения уравниваются, элемент сравнения срабатывает и его напряжение усиливается и при помощи трансформатора 33 из него формируется импульс, который используется для открывания элементов 15 и 16 (фиг. 1).

Система импульсно-фазового управления (фиг. 4) работает следующим образом.

При помощи цепи, состоящей из резистора 35 и диодов 36 и 37 из напряжения синусоидальной формы на выходе источника 3 формируется напряжение трапециедальной формы, синхронизированное с напряжением источника. Это напряжение затем путем усиления и формирования в формирователе 38 и усилителе 39 мощности превращается в напряжение практически прямоугольной формы, также синхронизированное с напряжением источника 3 питания. Это напряжение с выхода усилителя 39 используется для питания рабочих обмоток магнитных усилителей 40 и 41 с внутренней положительной обратной связью. Ширина импульса на выходе магнитного усилителя в каждом полупериоде определяется алгебраической суммой ампервитков обмоток управления. Поэтому разность сигналов задания и обратной связи, подводимых к первой паре последовательно и встречно включенных обмоток управления магнитных уси пителей 40 и 41, определяет положение переднего фронта импульсов на входе импульс ных усилителей 42 и 43. При этом отрицательная полуволна напряжения не используется. Положительные импульсы усиливают по мощности при помощи усилителей 42 и 43 мощности. При зтом увеличивается до необходимых пределов крутизна переднего фрон.та. Таким образом, в результате применения предлагаемого изобретения обеспечивается за счет адаптивного ограничения втеличины тока заряда конденсатора, уменьшение потерь в источнике питания, искажение формы напряжения на выходе источника питания. Кроме того, схема устройства обладает повышенной помехоустойчивостью, быстродействием и за исключением дросселя 10 может быть выполнена на стандартных элементах. Формула изобретения I. Устройство для регулирования тока возбуждения электрической машины постоянного тока, содержащее источник переменного тока, к которому одним из выводов подключена пара встречно включенных тиристоров, соединенные параллельно обмотка возбуждения и конденсатор, узел управления включением и фильтр, отличающееся тем, что, с целью улучшения энергетических характеристик, в него введены вторая пара встречно включенных тиристоров, двухобмоточиый дроссель, обмотки которого имеют различающееся в 2-3 раза число внтков, компаратор, два логических элемента И, датчик тока возбуждения и полное сопротивление, при этом обмотки дросселя размещены на общем сердечнике и включены встречно, второй вывод первой пары тиристоров соединен с первой общей точкой второй пары тиристоров и одним из выводов полного сопротивления, второй вывод которого вместе со второй общей точкой второй пары встречно включенных тиристоров подключен к началу обмотки дросселя имеющей меньшее число витков, конец которой, соединенный с концом второй обмотки дросселя и одним из выводов фильтра, подключен к одному выводу конденсатора, второй вывод которого соединен через датчик тока возбуждения и обмотку возбуждения с началом второй обмотки дросселя и непосредственно - с источником переменного токя и входом компаратора, причем ко входу узла управления включением подключен выход датчика тока возбуждения, а ее выходы соедннень) с управляющими входами первой пары тиристоров непосредственно, а с управляющими входами, второй пары тиристоров через логические элементы И, вторые входы которых связаны с выходом компаратора. 2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве полного сопротивления применена дополнительно намотанная на дроссель третья обмотка, число витков которой в 2-3 раза превышает число витков обмотки, имеющей большее число витков, причем своим началом дополнительная обмотка подключена к общей точке первой и второй пары тиристоров. 3.Устройство по п. 1 или по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что компаратор содержит трансформатор, выводы первичной обмотки которого являются входом компаратора, две диодно-мостовые схемы, регулируемый резистор, элемент сравнения, усилитель мощности и импульсный трансформатор, причем вторичная обмотка трансформатора соединена с выводами переменного тока первой диодно-мостовой схемы, выводы постоянного тока которой подключены к регулируемому резистору, подвижный контакт которого и один из выводов постоянного тока, первой диодно-мостовой схемы подключены к одному входу элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом постоянного тока второй диодномостовой схемы, вход переменного тока которой является вторым входом компаратора, а выход элемента сравнения через усилитель мощности подключен к цррвичной обмотке импульсного трансформатора, вторичная обмотка которого служит выходом компаратора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе . 1. Авторское свидетельство СССР № 485429, кл. Н 02 Р 13/30, 1975. 2.Мительман М. В., Воинов В. Л., Крикун Л. И. Модернизация электропривода позиционного механизма.-Сб. «Монтаж .и наладка электрооборудования, № 9, М., 1976, с. 141. 3.Патент США № 3611093, кл. 318-258, Н 02 Р 5/00, 1970.