Способ управления коммутацией электродвигателя постоянного тока и устройство для его осуществления

 

.Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления электродвигателями прокатных станов. Целью изобретения является расширение диапазона регулирования частоты вращения электродвигателя и повышение его надежности . Уст ройство содержит многовитковые катушки 16, размещенные у набегающего и сбегающего краев полюса, подключенные к входам блока 17 определения , величины искажения магнитного поля главных полюсов. Выход блока 17 подключен к вхоДу усилителя 14 мощности и через блок 19 выделения модуля к входам функциональных преобразователей 15 и 20. Выход функционального преобразователя 15 через источник 18 противофазных напряжений соединен .с входом управления уровнем ограничения управляемого блока 8. В данном устройстве по измеренной амплитуде зубцовых пульсаций магнитного потока определяют величину максимального межламельного напряжения и при превышении им допустимого уровня воздействук;т f на результирующий поток под сбегающим и набегающим краями главного полюса, уменьшают задание на ток якоря и увеличивают основной поток. 2с. и 3 3. п. ф-лы, 4 ил. (Л 00 ю ND СЛ СО puf,t

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (50 4 H 02 P 5/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3825097/24-07 (22) 14.12.84 (46) 30.07.87. Бюл. N - 28 (71) Научно-производственное объединение Черметавтоматика (72) M.Â. Мительман (53) 62-83:621.314.5 (088.8) (56) Рихтер P. Электрические машины,—

N.: ОНТИ НКТП, 1935, т. 1, с. 380.

Авторское свидетельство СССР

К - 653708, кл. Н 02 P 5/06, 1977. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ КОММУТАЦИЕЙ

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА И

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57),Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления электродвигателями прокатных станов. Целью изобретения является расширение диапазона регулирования частоты вращения электро— двигателя и повышение его надежности. Устройство содержит многовитко„„SU„„1327259 А 1 вые катушки 16, размещенньге у набегающего и сбегающего краев полюса, подключенные к входам блока 17 определения. величины искажения магнитного поля главных полюсов. Выход блока 17 подключен к входу усилителя 14 мощности и через блок 19 выделения модуля к входам функциональных преобразователей 15 и 20. Выход функционального преобразователя 15 через источник 18 противофаэных напряжений соединен с входом управления уровнем ограничения управляемого блока 8 ° В данном устройстве по измеренной амплитуде эубцовых пульсаций магнитного потока определяют величину максимального межламельного напряжения и при превышении им допустимого уровня воздействуют f на результирующий поток под сбегающим и набегающим краями главного полюса, уменьшают задание на ток якоря и увеличивают основной поток. 2 с. и 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

1327259

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, в частности, для управления глубокорегулируемыми электродвигателями пос5 тоянного тока прокатных станов, крупных металлорежущих станков и других механизмов.

Цель изобретения — расширение диапазона регулирования частоты враще- ip ния электродвигателя и повьш ение его надежности.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства для управления коммутацией электродвигателя постоянного тока, на фиг. 2 — схема блока определения величины искажения магнитного поля главных полюсов; на фиг. 3 — пример выполнения аналога мостовой схемы; на фиг. 4 — схема адаптивного фильтра.

Способ управления коммутацией электродвигателя постоянного тока осуществляют путем изменения магнитного потоKB электродвигателя и компенсации 25 реакции якоря за счет воздействия на компенсационную обмотку. Дополнительно измеряют амплитуду зубцовых пульсаций магнитного потока под сбегающим и набегающим краями полюса. Величина 30 амплитуды этих пульсаций однозначно связана с величиной магнитной индукции под сдвигающим и набегающим краями щеток. Умножают каждую из измеренных амплитуд на величину частоты вращения. Разность величин индукции под сбегающим и набегающим краями полюса характеризует степень. искажения магнитного поля, а произведение приращения магнитного потока на зубцовом делении на величину частоты вращения пропорционально межламельному напряжению, т.е. основной величине, определяющей коммутационную прочность коллектора. Вероятность возникнове- 45 ния кругового огня растет очень быстро с превышением межламельным напряжением допустимого уровня, определяемого толщиной межламельной,изоляции и физико-химическими свойствами мате- 5О риала коллектора, в т.ч. наличием примесей щелочных и щелочно-земельных металлов. Сравнивают произведения величин, пропорциональных произведениям частоты вращения на амплиту- 55 ды зубцовых пульсаций магнитного потока под сбегаюшим и набегающим краями главного полюса, и по результату сравнения определяют величину макси- . мального межламельного напряжения и при превышении им допустимого уровня воздействуют «а результирующий поток в под сбегающим и набегающим краями главного полюса, уменьшая большее из произведений амплитуды пульсаций магнитного потока на частоту вращения и, соответственно, увеличивая меньшее произведение указанных величин и одновременно при превышении максимальным межламельным напряжением допустимого уровня уменьшают задание на ток якоря и увеличивают основной поток.

Воздействие по разным каналам при превышении максимальным межламельным йапряжением допустимого уровня осуществляют по следующей причине.

Степень возможной минимизации раз— ностного сигнала путем воздействия на МДС компенсационной обмотки определяется структурой системы регулирования и располагаемым коэффициентом усиления.

-В любом случае система автоматического регулирования вследствие наличия электромагнитных инерционностей имеет ограниченное быстродействие. Поэтому из полученного разностного сигнала выделяют абсолютную величину (моцуль) и при превыШении абсолютной величиной допустимого уровня, т е при приближении искажения потенциальной диаграммы к опасному пределу, ограничивают величину тока якоря. Этот канал является более быстродействующим, что позволяет при быстром изменении тока якоря снизить вероятность возникновения кругового огня. Одновременно, при недопустимо большом разностном сигнале начинают увеличивать ток возбуждения электродвигателя, который начинает расти с постоянной времени, большей, чем постоянная времени компенсационной обмотки. Таким образом, обеспечивают резервирование двух других систем, что обусловливает также увеличение надежности.

Устройство управления коммутацией электродвигателя постоянного тока (фиг. 1) содержит управляемый преобразователь 1, подключенный к последовательно соединенным якорной 2 и компенсационной 3 обмоткам электродвигателя, на главных полюсах 4 которого расположены обмотка 5 возбуждения и корректирующая компенсационная обмотка 6, регулятор 7 тока якоря,под)327259 ключенный своими входами к выходам управляемого блока 8 ограничения и датчика 9 тока якоря, а выходом— к входу управляемого преобразовате5 ля 1, регулятор 10 тока возбуждения, входы которого соединены с выходами узла 11 задания тока возбуждения и датчика 12 тока возбуждения, а выход подключен к входу тиристорного )ð возбудителя 13, усилитель 14 мощности, к выходу которого подключена корректирующая компенсационная обмотка 6, и функциональный преобразователь 15. 15

В устройство введены две многовитковые катушки 16 с ферромагнитным сердечником, ширина которого не превышает ширины зуба якоря электродвигателя, блок 17 определения величины искажения магнитного поля главных полюсов, источник 18 противофазных напряжений, блок 19 выделения модуля и функциональный преобразователь 20 с характеристикой, имеющей зону нечувствительности, при этом выходы многовитковых катушек 16, размещенных у набегающего и сбегающего краев полюса, подключены к входам блока 17 определения величины искажения магнитного поля главных полюсов, выход которого подключен к входу усилителя

14 мощности и через блок 19 выделения модуля — к входам функциональных пре35 образователей 15 и 20, выход первого из которых через источник 18 противофазных напряжений соединен с входом управления уровнем ограничения управляемого„ блока 8 ограничения, вход ко- 4р торого является входом устройства, а выход функционального преобразователя 20 с характеристикой, имеющей зону нечувствительности, подключен к регулятору 10 тока возбуждения.

Блок 17 определения величины искажения магнитного поля главных полюсов (фиг. 2) выполнен в виде двух каналов, каждый из которых образован последовательно включенными фильтромподавителем 21 (22), аналогом 23 (24) мостовой схемы и адаптивным фильтром

25 (26), управляющие входы которых соединены с выходами соответствующих фильтров-подавителей 21 (22) и блока

27 сравнения, входы которого подключены к выходам адаптивных фильтров 25 и 26, а выход служит выходом блока.

Аналог мостовой схемы (фиг. 3) содержит два детектора. 28 и 29 знака, инвертирующий усилитель 30 и сумматор 31, при этом входы детекторов

28 и 29 знака объединены и служат входом аналога мостовой схемы, выход детектора 29 знака подключен к .входу сумматора 31 непосредственно, выход детектора 28 знака — через инвертирующий усилитель 30, а выход сумматора 31 служит выходом аналога мостовой схемы.

Адаптивный фильтр (фиг. 4) содержит операционный усилитель 32, регу- лируемый резистор 33, анализатор 34 частоты пульсаций, резисторы 35 — 37 и конденсатор 38, при этом резистор

35,,один вывод которого является основным входом адаптивного фильтра, вторым выводом присоединен к инвертирующему входу операционного усилителя

32, имеющего две цепи обратной связи, одна из которых образована резистором 36, а другая — последовательно включенными резистором 37 и конденса.тором 38, общий вывод которых соединен с одним из входов регулируемого резистора 33, другой вход которого связан с выходом анализатора 34 частоты пульсаций, вход которого является управляющим входом адаптивного фильтра.

Устройство управления коммутацией электродвигателя постоянного тока работает следующим образом.

В зависимости от прохождения под точкой поверхности главного полюса

4 зуба или паза якоря 2 величина магнитной индукции в данной точке меняется. Это изменение магнитной индукции вызывает в ферромагнитном сердечнике многовитковых катушек, обладающих в направлении вращения шириной, не большей ширины зуба и расположенных у сбегающего и набегающего краев полюса, появление ЭДС, по амплитуде пропорциональной произведе-" нию амплитуды пульсаций магнитного потока сердечника ° на частоту пульсаций, пропорциональную частоте вращения. Катушка 16 с ферромагнитными сердечниками, в качестве которых может быть использован край полюсного башмака, используются как датчики амплитуды пульсациймагнитного потока.

Разность напряжений на выходе катушек 1 6 однозначно связана со степенью искажения потенциальной диаг13272 раммы на коллекторе якоря 2, не скомпенсированной в результате действия основной компенсационной обмотки 3. Сигналы с выхода катушек 16 под сбегающим и набегающим краями 5 главного полюса 4 поступают на вход блока 17 определения величины искажения поля главных полюсов и в этом блоке эти сигналы обрабатываются, сравниваются и в результате на выходе блока 17 появляется сигнал, который определяет степень необходимой корректировки действия основной компенсационной обмотки.

Сигнал с выхода блока 17 определения величины искажения поля усиливается усилителем 14 мощности и подводится к корректирующей компенсационной обмотке 6, создавая 11ДС, уменьшающую искажение поля главных 20 полюсов под действием реакции якоря.

Поскольку обмотка 6 обладает неизбежной электромагнитной инерционностью, а процесс образования такого нарушения коммутации, как круговой огонь, развивается черезвычайно быстро, то необходимо в период между появлением недопустимо большого искажения поля главных полюсов и ограничением этого искажения ограничить действие фактора, искажающего поле, а именно, реакции якоря и тока якоря, ее обуславливающего. Для этого при помощи управляемого блока 8 ограничения, сигнал на выходе которого определяет- 35 ся напряжением подпора источника

18 противофаэных напряжений, уменьшается сигнал на входе регулятора 7 тока якоря, Этот сигнал на входе регулятора 7 тока якоря срав-40 нивается с сигналом, поступающим с выхода датчика 9 тока якоря, в результате чего уменьшается и даже может . изменить знак напряжение вна входе управляемого преобразователя 1 и or- 15 раничивается ток якоря.

Уменьшение сигнала на выходе упраляемого блока 8 ограничения происходит следующим образом.

При возникновении искажения поля главных полюсов 4 под действием реакции якоря иэ сигнала на выходе блока

17 выделяется абсолютная величина при помощи блока 19 выделения модуля.

При недопустимом уровне искажения по- 5 ля на выходе функционального преобразователя 15 под действием сигнала, поступающего на его вход с выхода блока 19 выделения модуля. Начинает

59 6 снижаться напряжение. В результате снижается напряжение подпора на управC ляющем входе управляемого блока 8 ограничения. Однако длительное снижение тока якоря в некоторых режимах, например в режиме протягивающего груза, недопустимо. Кроме того, в ряде случаев целесообразно в случае длительных перегрузок увеличивать магнитный поток главных полюсов и снижать тем самым искажение их поля.Для этого . сигнал с выхода блока 19 выделения модуля через функциональный преобразователь 20 поступает на один иэ входов регулятора 1О тока возбуждения, на другой вход поступает сигнал обратной связи по току с выхода датчика 12 тока возбуждения, а на третий вход поступает сигнал задания тока возбуждения с выхода узла 11 задания тока возбуждения. При превышении ис I кажением поля допустимого уровня на выходе функционального преобразования 20 появляется сигнал, который увеувеличивает величину сигнала на выходе регулятора 10 тока возбуждения и напряжение на выходе тиристорного возбудителя 13.

Под влиянием этого возросшого напряжения увеличивается ток обмотки

5 возбуждения и сигнал обратной связи на выходе датчика 12 тока возбуждения, что приводит к ограничению роста тока возбуждения.

Рост тока возбуждения приводит к увеличению насыщения полюсных башмаков и к уменьшению действия реак- . ции якоря, а следовательно, к улучшению распределения межламельных напряжений на. коллекторе, и повышает тем самымего коммутационнуюпрочность, Изображенный на фиг. 2 блок 19 определения величины искажения поля главных полюсов работает следующим образом. Сигналы, пропорциональные произведению частоты вращения на амплитуцу зубцовых пульсаций магнитного потока под сбегающим и набегающим краями главного полюса 4, с выходов катушек 16 (фиг.1) поступают через фильтры- подавители 21 и 22 высокочастотных помех на вход аналогов

23 и 24 мостовых схем, где производится преобразование сигналов. переменного тока в сигналы пульсирующие, частота пульсаций которых равна удвоенной частоте зубцовых пульсаций.

Так как диапазон изменения частоты этих пульсаций обычно превышает 1:20, 7 13272 то адаптивные фильтры 25 и 26, выполняющие роль снижения амплитуды пульсаций в сигналах на входе блока 27 сравнения, имеют переменную частоту

5 среза. Такое решение позволяет получить при малых частотах вращения удовлетворительное подавление переменных составляющих сигналов на входе дифференциального. усилителя и по- 1р вышать в необходимых пределах быстродействие схемы при повышении частоты вращения якоря электродвигателя и роста вероятности нарушения коммутационной прочности. 15

Сглаженные сигналы, пропорциональные величИне пульсаций магнитного потока под сбегающим и набегающим краями полюсами, сравниваются при помощи блока 27 сравнения. В резуль- 2р тате на выходе блока 27 сравнения и, следовательно, блока 17 определения величины искажения магнитного поля главных полюсов образуется сигнал, однозначно связанный с величи- 25 ной искажения потенциальной диаграммы на коллекторе.

Входящие в блок 17 аналоги 23 и

24 мостовых схем (фиг. 3) идентичны и работают следующим образом. Сиг- 30 нал положительной полярности, поступающий на вход детектора 28 знака, имеющего высокую чувствительность, например, благодаря схеме, компенсирующей нелинейность характеристик диодов, инвертируется при помощи инвертирующего усилителя 30, что обеспечивает сохранение его полярности.

Сигнал отрицательной полярности детектируется детектором 29 знака. Сиг- 40 налы с выхода детектора 29 знака и инвертирующего усилителя 30 подаются на сумматор 31 и далее на вход следующего звена — адаптивного фильтра

25 (26) (фиг.4). На управляющий вход адаптивного фильтра, в качестве которого используется вход анализатора

34 частоты пульсаций, подается тот же сигнал, что и на вход аналогов мостовых схем 23 и 24.

Адаптивный фильтр (фиг. 4) представляет собой звено, близкое по своим динамическим характеристикам к апериодическому. Коэффициент передачи его пропорциональной части определяется соотношением активных сопротивлений первого 35 и второго 36 резисторов. Частота среза адаптивного фильтра меняется вследствие измене59 8 ния условия заряда-разряда конденсатора 38 в цепи обратной связи операционного усилителя 32. Это изменение производится путем изменения коэффициента передачи делителя на выходе усилителя 32, образованного третьим резистором 37, и переменным резистором 33, например, полевым транзистором с изолированным затвором. При изменении частоты пульсаций на управляющем входе адаптивных фильтров 25 и 26, т.е. на выходе анализатора 34 частоты пульсаций, происходит изменение напряжения на входе переменного резистора 33, например на затворе полевого транзистора. При этом происходит изменение величины активного резистора 33, например сопротивления.между стоком и истоком полевого транзистора, что и приводит к изменению частоты среза фильтра без изменения его коэффициента передачи в статическом режиме.

В результате применения изобретения обеспечивается корректировка по отклонению магнитного поля главных полюсов, обычно корректируемого только "no возмущению . В результате снимается или делается значительно менее жестким ограничение диапазона регулирования ослаблением поля главных полюсов по условиям коммутационной прочности коллектора и поэтому повышается надежность.

Формула из об р етения

1. Способ управлениякоммутацией электродвигателя постоянного тока, согласно которому изменяют магнитный поток электродвигателя, компенсируют реакцию якоря путем воздействия на компенсационную обмотку и измеряют частоту вращения электродвигателя, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования частоты вращения электродвигателя и повьппение его надежности, дополнительно измеряют амплитуду зубцовых пульсаций магнитного потока под сбегающим и набегающим краями главного полюса, умножают каждую из измеренных амплитуд на величину частоты вращения, сравнивают полученные произведения, по результату сравнения определяют величину максимального межламельного напряжения и при превышении им допусl327?59

10 тимого уровня воздействуют на результирующий поток под сбегающим и набегающим краями главного полюса, уменьшая большее из произведения амплитуды пульсаций магнитного потока на частоту вращения и соответственно увеличивая меньшее произведение указанных величин, и одновременно при превышении максимальным межламельным напряжением допустимого уровня уменьшают задание на ток якоря и увеличивают основной поток.

2. Устройство для управления коммутацией электродвигателя постоянного тока, содержащее управляемый преобразователь, подключенный к последовательно соединенным якорной и компенсационной обмоткам электродвигателя постоянного тока, на главных полюсах которого расположены обмотка возбуждения и корректирующая компенсационная обмотка, регулятор тока якоря, подключенный своими входами к выходам управляемого блока or раничения и датчика тока якоря, а выходом — к входу управляемого преобразователя, регулятор тока возбуждения, входы которого соединены с выходами узла задания тока возбуждения и датчика тока возбуждения, а выход подключен к входу тиристорного возбудителя, усилитель мощности, к выходу которого подключена корректирующая компенсационная обмотка, и первый функциональный преобразователь, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что в него введены две многовитковые катушки с ферромагнитным сердечником, ширина которого не превышает ширины зуба якоря. электродвигателя, блок определения величины искажения магнитного поля главных полюсов, источник противофазных напряжений, блок выделения модуля и функциональный преобразователь с характеристикой, имеющей зону нечувствительности, при этом выходы многовитковых катушек, размещенных у набегающего и сбегающего краев полюса, подключены к входам блока определения величины искажения магнитного поля главных полюсов, выход которого подключен к входу усилителя мощности и через блок выделения модуля — к входам функциональных преобразователей, вьгход первого из которых через ис15

4г

55 точник противофазных напряжений соединен с входом управления уровнем ограничения управляемого блока ограничения, вход которого является входом устройства, а выход второго функционального преобразователя с характеристикой, имеющей зону нечувствительности, подключен к,регулятору тока возбуждения.

3. Устрочство по и. 2, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок опредсления величины искажения магнитного поля главных полюсов выполнен в виде двух каналов, каждый из которых образован последовательно включенными фильтром-подавителем„ аналогом мостовой схемы и адаптивным фильтром, управляющие входы которых соединены с выходами соответствующих фильтровподавителей, и блока сравнения, входы которого подключены к выходам адаптивных фильтров, а выход служит выходом блока.

4. Устройство по пп. 2 и 3, о т л и ч а «о щ е е с я тем, что анах-ог мостовой схемы содержит два детектора знака, инвертирующий усилитель и сумматор, при этом входы детекторов знака объединены и служат входом аналога мостовой схемы, выход одного детектора знака подключен к входу сумматора непосредственно, выход второго — через инвертирующий усилитель, а выход сумматора служит выходом аналога мостовой схемы.

5. Устройство по пп. 2 — 4, о т— л и ч а а щ е е с я тем, что адаптивный фильтр содержит операционный усилитель, регулируемое сопротивление, анализатор частоты пульсаций, три резистора и конденсатор, при этом первый резистор, один вывод которого является основным входом адаптивного фильтра, вторым выводом присоединен к иниертирующему входу операционного усилителя, имеющего две цепи обратной связи, одна из которых образована вторым резистором, а другая — последовательно включенными третьим резистором и конденсатором, общий вывод которых соединен с одним из входов регулируемого сопротивления, другой вход которого связан с выходом анализатора частоты пульсаций, вход которого является управляющим входом адаптивного йильтра.

1327259

1327259

Составитель В. Кузнецова

Редактор М. Товтин Техред Л. Олийнык Корректор Г. Решетник

Заказ 3406/53 Тираж 659 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4