Устройство улучшения коммутации коллекторных электрических машин

 

УСТРОЙСТВО УЛУЧШЕНИЯ КОММУТАЦИИ КОЛЛЕКТОРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ , содержащее управляемый усилитель с выводами для подключения к обмотке дополнительных полюсов, датчик тока коммутируемой секции, выполненный в виде вспомогательной секции , предназначенной для укладки рядом с основной секцией обмотки якоря , отличающееся тем, что, с целью повьшения точности автоматической настройки коммутации на середину области безыскровой работы и помехозащищенности, устройство снабжено блоком интегрирования, узлом формирования импульсов, выполненным в виде последовательно включенных дискретного датчика угла поворота и трех одновибраторов, узлом формирования сигнала модели желаемого характера коммутации, выполненным из включенных последовательно блока памяти, управляемого блока интегрирования , блока сравнения, второго блока интегрирования, датчиком периода коммутации с включенным последовательно вторым блоком памяти, а также BTopbtM блоком сравнения и третьим блоком памяти, при этом пыход датчика тока коммутируемой секции подключен к информационным входам первого блока памяти и первого блока интегрирования, обнуляющий вход последнего объединен с обнуляющими входами управляемого блока интегрирования , второго блока интегрирования и подключен к выходу второго одновибратора, выход третьего одновибратора соединен с обнуляющим (Л входом датчика периода коммутации, выход первого одновибратора подключен к объединенным входам переписи первого , второго и третьего блоков памяти , выход второго из соединен с управляющим входом управляемого блока интегрирования, информационный ел вход которого подключен к второму со входу первого блока сравнения, информационный вход третьего блока памяти 00 соединен с выходом второго блока vj сравнения, первый вход которого подVI ключен к выходу второго блока интегрирования , а второй вход второго блока сравнения соединен с выходом первого блока интегрирования, выход же третьего блока памяти через уп равляемый усилитель подключен к обмотке дополнительных полюсов.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„Я0„„1153377 А

4(5!) Н 02 К 13/14

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ .

s К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) (57) УСТРОИСТВО УЛУЧШЕНИЯ КОММУТАЦИИ КОЛЛЕКТОРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ MAВ!ИН, содержащее управляемый усилитель с выводами для подключения к обмотке дополнительных полюсов, датчик тока коммутируемой секции, выполненный в виде вспомогательной секции, предназначенной для укладки рядом с основной секцией обмотки якоря, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности автоматической настройки коммутации на середину области беэыскровой работы и помехоэащищенности, устройство снабжено блоком интегрирования, узлом формирования импульсов, выполненным в виде последовательно включенных дискретного датчика угла поворота и трех одновибраторов, узлом формирования сигнала модели желаемого характера комм; тации, выполненным из включенных последовательно блока

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3632226/24-07 (22) 05.08.83 (46) 30.04.85. Бюл. № 16 (72) Н.А. Елшанский, A.M, Абакумов, Э.Г. Чеботков и В.Е. Антропов (71) Куйбышевский ордена Трудового

Красного Знамени политехнический институт им. В.В.Куйбышева (53) 621.313. 2(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

¹ 315250, кл. Н 02 К 23/24, 1969.

2. Авторское свидетельство СССР № 974505, кл. Н 02 К 13/14 1981, памяти, управляемого блока интегрирования, блока сравнения, второго блока интегрирования, датчиком нериода коммутации с включенным после. довательно вторым блоком памяти, а также вторым блоком сравнения и третьим блоком памяти, при этом выход датчика тока коммутируемой секции подключен к информационным входам первого блока памяти и первого блока интегрирования, обнуляющий вход последнего объединен с обнуляющими входами управляемого блока интегрирования, второго блока интегрирования и подключен к выходу второго одновибратора, выход третьего одновибратора соединен с обнуляющим входом датчика периода коммутации, выход первого одновибратора подключен к объединенным входам переписи первого, второго и третьего блоков памяти, выход второго иэ них соединен с управляющим входом управляемого блока интегрирования, информационный вход которого подключен к второму входу первого блока сравнения, информационный вход третьего блока памяти соединен с выходом второго блока сравнения, первый вход которого подключен к выходу второго блока интег рирования, а второй вход второго блока сравнения соединен с выходом первого блока интегрирования, выход же третьего блока памяти через управляемый усилитель подключен к обмотке дополнительных полюсов.

1153377

Недостатки известного устройства-ниэкие точность и помехозащищенность.

Целью изобретения является повышение точности автоматической настройки коммутации на середину области безыскровой работы коллекторной электрической машины и помехозащищенности.

Укаэанная цель достигается тем, что устройство, содержащее управляемый усилитель с выводами для подключения к обмотке дополнительных полюсов, датчик тока коммутируемой секции, выполненный в виде вспомогательной секции, предназначенной для укладки рядом с основной секцией обмотки якоря, снабжено блоком интегрирования, узлом формирования импульсов (УФИ), выполненным в виде последовательно включенных дискретного датчика угла поворота и трех одновибраторов, узлом формирования сигнала модели (УФСМ) желаемого характера коммутации, выполненным из включенных

ИэоГ>ретение относится к электромашиностроению, а именно к устроиствам улучшения коммутации коллекторных электрических машин путем настройки дополнительных полюсов на середину области безыскровой работы, и может быть использовано при разработке автоматических устройств, обеспечивающих оптимальные условия коммутации электрических машин.

Известны устройства улучшения коммутации, основанные на изменении тока дополнительных полюсов $13.

Функциональные возможности известных устройств ограничены необходимостью установки тока подпитки в кажпом конкретном случае при испытании, возможностью использования только при настройке коммутации после изготовления машины. Кроме того, данные устройства характеризуются сложностью автоматизации процесса настройки.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство улучшения коммутации коплекторных электрических машин, содержащее управляемый усилитель, подключенный к обмотке дополнительных полисов, датчик тока коммутир -емой секции, выполненный в виде вспомогательной секции, уложенной рядом с основной секцией обмотки якоря $2 ). последовательHo блока памяти, управляемого блока интегрирования, блока сравнения, второго блока интегрирования, датчиком периода коммутации с включенным последовательно вторым блоком памяти, а также вторым блоком сравнения и третьим блоком памяти, при этом вь<ход датчика тока коммутируемой секции подключен к инфор10 мационным входам первого блока памяти УФСИ и первого блока интегрирования, обнуляющий вход которого объединен с обнуляющими входами управляемого блока интегрирования УФСИ, второго

15 блока интегрирования того же узла и подключен к выходу второго одновибратора УФИ, выход третьего одновибратора соединен с обнуляющим входом датчика периода коммутации, выход

20 первого одновибратора подключен к объединенным входам переписи первого, второго и третьего блоков памяти, выход второго из них соединен с управляющим входом управляемого блока интегрирования, информационный вход которого подключен к второму входу первого блока сравнения, информационный вход третьего блока памяти соединен с выходом второго блока сравне30 ния, первый вход которого подключен к выходу второго блока интегрирования, а второй вход второго блока сравнения соединен с выходом первого блока интегрирования, выход же третьего блока памяти через управляемый усилитель подключен к обмотке дополнительных полюсов.

На фиг. 1 показаны различные формы изменения тока в коммутируемой

40 секции (кривая 1 соответствует изменению тока секции при прямолинейной (безыскровой) коммутации, кривая 2— замедленной коммутации, кривая 3— ускоренной); на фиг.2 и 3 — формиро- .

45 вание сигнала, моделирукнцего прямолинейный закон коммутации при изменении тока якоря и частоты вращения машины; на фиг.4 — функциональная схема устройства; на фиг.5 — упрощенная

0 электрическая схема элементов устройства.

Линейно изменяющийся электрический сигнал, моделирующий прямолинейный закон коммутации, задается с постоян55 ным коэффициентом наклона. Очевидно, что линейно изменяющийся сигнал (кривая 1 на фиг. 1) с постоянным коэффициентом наклона может служить мо11533 7 делью прямолинейного закона коммутации только при постоянном значении периода коммутации, т.е. при постоянной частоте вращения машины и при постоянной величине тока якоря (или пропорциональной ему величине тока параллельной ветви). При изменении частоты вращения прямая с неизменным коэффициентом наклона может значительно отличаться от зависимости, соответствующей прямолинейному закону коммутации. Кроме того, ошибка в моделировании прямолинейного закона коммутации в известном способе появляется и при изменении тока якоря (т.е. и величины тока параллельной ветви i ). Таким образом, вследствие того, что в известном способе модель прямолинейного характера коммутации задается беэ учета текущих значений тока якоря машины и периода коммутации, точную настройку коммутации можно обеспечить только при постоянной величине тока якоря и неизменной частоте вращения. При изменении указанных величин будет возникать значительная ошибка в настройке коммутации на середину области беэыскровой работы машины.

При управлении процессом коммутации в течение периода коммутации Т (фиг.1) осуществляется интегрирование в функции времени сигнала, пропорционального действительному значению тока коммутируемой секции (кривая 2 или 3), и сигнала, моделирующего прямолинейный характер коммутации (кривая 1), а сигнал ошибки, в функции которого осуществляется изменение тока дополнительных полюсов, формируется в результате сравнения интегральных значений сигналов за период коммутации. При этом сигнал ошибки пропорционален площади (области), заключенный между кривой

2 (или 3) и кривой 1 (фиг.1), и его модуль и знак характеризуют интегральное отклонение действительного процесса коммутации от желаемого прямолинейного. Благодаря тому, что осуществляется измерение интегрального отклонения за период коммутации, высокочастотные помехи, наложенные на кривую, характеризующую действительный процесс коммутации, в значительной степени отфильтровываются. Это обстоятельство обеспечивает высокую помехозащищенность машины (кривая 7).

Предположим, при некотором значении тока параллельной ветви iù и периоде

45 коммутация Т обеспечена точная настройка дополнительных полюсов на середину области беэыскровой работы

При этом зависимость, моделирующая

50 . делаемый (в данном случае прямолиней55

10 !

35 при управлении процессом коммутации.

Кроме того, моделирование прямолинейного характера коммутации осуществляют с учетом значения тока коммутируемой секции (или пропорционального ему тока якоря) и с учетом текущего значения частоты вращения машины. При постоянной частоте вращения машина (а, следова; тельно, постоянном значении периода коммутации Т„ ) наклон моделирующей кривой изменяют пропорционально текущему значению тока секции, т.е. и тока параллельной ветви i (фиг.2).

Так, если при некотором значении тока i „сигнал, моделирующий желаемый (например, прямолинейный) характер коммутации, имеет вид кривой 4, то при возрастании тока секции до значения i наклон моделирующей кривой (скорость изменения сигнала) увеличивают (кривая 5). При изменении частоты вращения машины, а следовательно, и периода коммутации Т, скорость изменения сигнала, моделирующего желаемый характер коммутации, изменяют пропорционально изменению частоты вращения машины. При некоторой частоте вращения машины период коммутации равен Т 1 (Фиг.З}, и моделирующий сигнал имеет вид кривой 6.

При возрастании частоты вращения

I период коммутации уменьшится: до некоторого значения 1„, и наклон моделирующей кривой увеличивают пропорционально изменению частоты вращения

Возможность существенного повышения точности настройки дополнительных полюсов машины может быть пояснена на следующем примере. машины с помощью известного способа. ный) закон коммутации, имеет вид кривой 6 на фиг.3. Предположим, что частота вращения машины возросла и период коммутации уменьшился до значения 1„з . Кривая, моделирующая желаемый закон коммутации, останется неизменной (кривая 6). В результате, даже при действительном прямолиней3 1153

| ,ном характере изменения коммутируе1мого тока (кривая 7 на фиг.3) процесс будет оцениваться как ускоренная коммутация, т.е. появится сигнал рассогласования (ошибки),пропорциональный разности ординат кривых 6 и 7, и, следовательно, будет подаваться сигнал на изменение тока дополнительных полюсов. При широком диапазоне изменения частоты вращения, т.е. и перно- 1р да Т, изменения сигнала рассогласования могут быть весьма значительными, что может привести к смещению процесса коммутации иэ области бызыскровой работы.

В случае изменения периода коммутации изменяют вид кривой, моделирующей желаемый характер процесса коммутации (она приобретает вид кривой 7 на фиг.3), и сигнал ошибки в

20 этом случае будет иметь место только в случае отклонения процесса коммутации от желаемого.

Устройство улучшения коммутации

25 коллекторных электрических машин (фиг.4) содержит датчик 8 тока коммутируемой секции, выход которого соединен с информационным входом блока 9 интегрирования, на выходе которого формируется сигнал, характеризующий Зр действительный процесс коммутации.

Выход датчика 8 соединен также с информационным входом блока 10 памяти, являющимся входом узла формирования сигнала, пропорционального желаемому 3 (например, прямолинейному) закону изменения тока коммутируемой секции.

Указанный узел, который может быть определен также как узел формирования сигнала модели, состоит из вклю- 40 ченных последовательно блока 10 памяти, управляемого блока 11 интегрирования, блока 12 сравнения, блока 13 интегрирования. Кроме того, в состав узла входит датчик 14 периода комму- 45 тации с включенным последовательно с яим блоком 15 памяти, выход которого соединен с управляющим входом управляемого. блока 11 интегрирования.

К выходу дискретного датчика 16 5Р угла поворота подключен вход одновибратора 17, являющегося первым из трех последовательно соединенных одновибраторов 17, 18 и 19, образую-. щих совместно с датчиком угла пово- S5 рота узел формирования импульсов.

Выход блока 13. интегрирования подключен к первому входу блока 20 сравне377 ния, второй вход которого соединен с выходом блока 9 интегрирования, а выход блока 20 сравнения подключен к входу блока 21 памяти. Выход одновибратора 19 соединен с обнуляющим входом датчика 14 периода коммутации, а обнуляющие входы блоков 9, 11 и 13 интегрирования объединены и подключены к выходу одновибратора 18. Выход одновибратора 17 соединен с входами переписи блоков 10, 15 и 21 памяти, а выход последнего через управляемый усилитель 22 мощности подключен к основной или вспомогательной обмотке

23 дополнительных полюсов.

Управление процессом коммутации осуществляется на основании сигнала, пропорционального интегральному отклонению действительного процесса от желаемого за период коммутации. Выявление сигнала рассогласования за указанный период осуществляется в устройстве следующим образом.

В течение периода коммутации с помощью блока 9 интегрируется сигнал, пропорциональный действительному току коммутируемой секции, снимаемый с датчика 8. Одновременно интегрируется сигнал, пропорциональный делаемому закону изменения тока коммутируемой секции. Указанные сигналы с выходов блоков 9 и 13 интегрирования поступают на входы блока 20 сравнения, и в конце периода коммутации на выходе этого блока формируется сигнал, пропорциональный интегральному отклонению действительного процесса коммутации от делаемого.

Этот сигнал запоминается блоком 21 и поступает на вход управляемого усилителя 22.

Сигнал, соответствующий желаемому закону изменения тока коммутируемой секции, создается и интегрируется в

УФСМ. Узел формирования импульсов (УФИ) служит для выработки импульсных сигналов, соответствующих началу и окончанию периода процесса коммутации. Работа этих узлов протекает следующим образом.

В начале текущего периода коммутации блоком 10 запомнено текущее значение тока коммутируемой секции, измеренного датчиком 8 (см. iö на фиг.1). Блоки 9, 11 и 13 интегрирования обнулены. В результате интегрирования сигнала с блока 10 памяти интегратором 11 íà его выходе форЮ

1153377 мируется линейно изменяющийся сигнал. На блоке 12 сравнения этот сигнал суммируетс» со значением запомненным блоком 10. В результате на выходе блока 12 формируется ли- 5 нейно изменяющийся сигнал, соответствующий желаемому закону изменения тока коммутируемой секции. Интегрирование этого сигнала производится блоком 13, с выхода которого сигнал 1О (сигнал модели) поступает на один из входов блока 20 сравнения. На выходе блока 20 к концу периода коммутации образуется сигнал, пропорциональный разности интегралов сравниваемых блоком 20 сигналов действительно (с выхода блока 9 интегрирования) и желаемого законов изменения тока коммутируемой секции, т.е. сигнал ошибки. Этот сигнал при поступлении им- 20 пульса переписи с выхода блока 17 переписывается в блок 21 памяти, и в функции этого запомненного сигнала ошибки .через усилитель 22 осуществляется управление:током основной2 или вспомогательной обмотки 23 дополнительных полюсов. Далее импульсным сигналом с блока 17 осуществляется перепись значения тока коммутируемой секции в начале следующего перио-3р да коммутации (-1 на фиг.1), после чего импульсным сигналом с выхода блока 18 производится обнуление блоков 9, 11 и 13 интегрирования и процессы в устройстве протекают анало35 гично, Поясним подробнее процесс формирования сигнала модели при изменении величины тока коммутируемой секции (при изменении тока якоря) и периода 40 коммутации Тк (при изменении частоты ,вращения машины).

Предположим, что при некоторой частоте вращения машины ы„и, следовательно, периоде коммутации Т

К1 4S значение тока параллельной ветви равно „„(фиг.2). Сигнал на выходе управляемого блока 11 интегрирования будет определяться выражением

1 г сать вая 7 на фиг.3). Для автоматического

S0 управления постоянной интегрирования блока 11 в устройстве с помощью блоков 14 и !5 осуществляется формирование сигнала, пропорционального длительности периода коммутации.

Датчик 14 периода коммутации, представляющий собой интегратор, на вход которого подан постоянный сигнал, к началу текущего периода

4 ()вы» и о где Тд

U, †.постоянная интегрирования; — напряжение, пропорциональное значению тока, поступающее на вход блока 1 1 с выхода блока 10 памяти.

Учитывая, что в течение периода коммутации T„ U„ = const, можно запиНа выходе блока 12 сравнения получается сумма выходивших сигналов блоков 10 и 11 что соответствует сигналу модели (например, кривая 4 на фиг.2). При некотором большом значении тока (фиг.2) на выходе блока 10 сигнал принимает значение U U„, и сигнал модели описывается выражением что соответствует кривой 5 на фиг,2.

Таким образом, при и) = consl..è изменении тока якоря (следовательно,и

i ) в устройстве автоматически обеспечивается необходимая .перестройка сигнала модели.

Для обеспечения автоматической перестройки сигнала модели при изменении частоты вращения ы машины (т.е. периода коммутации T ) в устройстве осуществляется изменение постоянной интегрирования Т и управляемого блока 11 интегрирования. Например, при токе iс, и периоде коммутации

Т (фиг.3), соответствующего частоте вращения, постоянная интегрирования блока 11 имеет некоторое значение Т„ . При возрастании частоты вращения w до некоторого значения (4 период коммутации уменьшается до. величины Т ; При этом сигналом, поступающим с выхода блока 15 памяти, автоматически уменьшается постоянная интегрирования Тд до значения Т„з, в результате чего увеличивается скорость изменения сигнала модели (кри10

1153377

9 коммутации обнулен. В течение периода коммутации на его вых, де формируется линейно изменяющийся сигнал, значение которого в конце периода коммутации пропорционально величине T . 5

В конце каждого периода это значение импульсным сигналом переписи с выхода блока 17 переписывается в блок 15 памяти и поступает с выхода последнего на управляющий вход управляемого блока 11 интегрирования. Обнуление блока 14 в начале периода коммутации осуществляется импульсным сигналом с блока 19.

Формирование импульсных сигналов, обеспечивающих обнуление блоков интегрирования и перепись информации в блоки памяти, осуществляется в узле формирования импульсов, содержащем дискретный датчик 16 угла поворота и последовательно соединенные одновибраторы 17, 18 и 19. Дискретный датчик угла поворота содержит оптически непрозрачный диск с радиальными щелевыми прорезями, закрепленный на валу машины, а также оптронную пару (источник излучения и фотоприемник). При вращении диска происходит периодическое открытие оптического канала оптронной пары, в результате 30 чего на выходе фотоприемника формируются импульсы. Моменты возникновения импульсных сигналов синхронизированы с моментом начала периода коммутации, С помощью одновибраторов из сигнала фотоприемника формируются прямоугольные импульсы, сдвинутые по времени, что обеспечивает описанную последовательность операций обнуления и переписи. 40

Датчик 14 периода коммутации (фиг.5) представляет собой интегратор и выполнен на операционном усилителе

24, в цепи обратной связи которого включен конденсатор 25.Обнуление это- 45

ro интегратора осуществляется замыканием управляемого ключа 26, управляющий вход которого подключен к выходу блоха 19. Блок 15 памяти выполнен на операционном усилителе 27, 50 охваченном обратной связью и содержащим конденсатор 28 и ключ 29. Перепись информации в блок 15 осуществляется кратковременным замыканием управляемого ключа 29 импульсным . 55 сигналом, постулающим на его управляющий вход с выхода блока 17. Управляемый блок 11 интегрирования реализован на операционном усилителе

30 и содержит в цепи обратной связи конденсатор 31 и управляемый ключ 32.

На входе этого операционного усилителя включено управляемое сопротивление, в качестве которого использован полевой транзистор 33. Величина со противления этого транзистора опре— деляется сигналом, поступающим на

его затвор с блока 15 памяти. В зависимости от величины сигнала с блока 15 изменяется активное сопротивление R транзистора 33 и тем самым задается необходимая величина постоянной интегрирования блока 11 т,„ =

= RC . Обнуление этого блока осуществляется кратковременным замыканием ключа 32, управляющий вход которого соединен с выходом блока 18 °

Информационный вход блока 11 подключен к выходу блока 10 памяти. Блок

12 сравнения реализован на суммирующем операционном усилителе 34, в цепи обратной связи которого включено активное сопротивление 35. Входные сигналы на блок 12 поступают с выходов блоков 10 и 11 и через резисторы 36 и 37, а его выходной сигнал поступает на информационный вход блока 13 интегрирования.

Ключи в схеме устройства выполнены на транзисторах, работающих в ключевом режиме. Блоки 9 и 13 интегрирования реализованы аналогично блоку 14. Блоки 10 и 21 памяти выполнены аналогично блоку 15. Одновибраторы 17, 18 и 19 реализованы на интегральных элементах.

Таким образом, применение предлагаемого устройства улучшения коммутации коллекторных электрических машин за счет изменения тока дополнительных полюсов благодаря использованию новых блоков и связей позволяет повысить точность автоматической настройки коммутации на середину области безыскровой работы машины особенно в условиях, когда частота вращения и ток якоря могут изменяться в значительном диапазоне, а также обеспечить помехозащищенность устройств. з п

1153377 ф

6 Э

I Ъ

1153377

Фиг 5

Составитель С. Шутова

Редактор И. Бандура Техред Ж.Кастелевич Корректор С Шекмар

Заказ 2517/43 Тираж 646 Подписное

ВИИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4(S

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4