Устройство для определения статического момента двигателя
Сущность изобретения: устройство содержит 1 датчик частоты вращения (8), 2 сумматора (10, 12), 1 регулятор (13), 1 модель
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 1 3/10
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
1 (21) 4925120/10 (22) 03.04.91 (46) 23.01.93. Бюл. N 3 (71) Одесский политехнический институт (72) Алхаджи Ахмад (SA) и Н.К.Шапарев (SU) (56) Авторское свидетельство СССР
N 838446, кл. G 01 L 3/00, 1981.
Авторское свидетельство СССР
¹ 964347, кл. G 01 L 3/00, 1982, (54) У СТ P О Й С Т В О ДЛ Я О П P ЕД ЕЛ Е Н И Я
СТАТИЧЕСКОГО МОМЕНТА ДВИГАТЕЛЯ
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения статического момента асинхронного двигателя в системах адаптивного управления металлорежущими станками.
Известно устройство для измерения момента электродвигателя, в котором содержится усилитель и апериодическое звено, выход которого соединен с первым входом усилителя, на вторые входы усилителя и апериодического звена подключен датчик частоты вращения, а третий вход апериодического звена подсоединен к устройству для измерения активного момента.
Недостатком известного устройства является ограниченная область применения, поскольку оно неработоспособно при использовании асинхронного двигателя в качестве привода главного движения в системах адаптивного управления металлорежущими станками.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для измерения статического момента электродвигателя, в котором якорь испытуемого двигателя представлен сумматором и интег„„5U„„1789887 А1 (57) Сущность изобретения: устройство содержит 1 датчик частоты вращения (8), 2 сумматора (10, 12), 1 регулятор (13), 1 модель (11) электромеханической части ротора асинхронного двигателя, 1 асинхронный двигатель (2), 1 трансформатор напряжения (1), 1 блок выпрямления (3), 1 датчик частоты сети (4), 2 преобразователя напряжения в частоту(5, 7), 1 блок преобразования разности частот (6), 1 блок вычисления момента (9), 1 — 3 — 5 — 9, 1 — 4 — 6 — 9 — 10 — 11 — 12 — 13, 2 — 8 — 7—
6 — 9.1 ил, ратором, причем на входы сумматора подключены датчики электромагнитного и статического момента, на первый вход модели якоря, представленный сумматором, подключен датчик тока якоря двигателя постоянного тока, выход сумматора подключен к входу интегратора, выход которого совместно с выходом датчика частоты вращения подключен к сумматору, соединенному через регулятор со вторым входом сумматора модели якоря, Недостатком известного устройства является невысокая точность измерений, а также ограниченная область применения, поскольку оно предназначено лишь для электродвигателя постоянного то-, ка и не может быть использовано для измерения статического момента наиболее широко применяющихся в станкостроении приводов главного движения на асинхронных электродвигателях с короткозамкнутым ротором, Цель изобретения — повышение эффективности за счет возможности определения статического момента асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и увеличения точности.
1789887
25
45
55
Поставленная цель достигается тем, что в устройство йведены трансформатор напряжения, вторичная обмотка которого подключена к входам блока выпрямления и датчика частоты сети, выход блока выпрямления подключен ко входу преобразователя напряжения в частоту, на второй вход преобразователя напряжения в частоту подключен ис р ник постоянного напряжения, выход датчика частоты сети подключен к первому "входу устройства преобразования разности частот, второ@ вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения в частоту, связанного с тахогенератором, выход устройства преобразователя разности частот подключен ко входу вычислителя момента, состоящего из двух последовательно включенных интеграторов с ключами сброса, выход преобразователя напряжения в частоту соединен с ключами сброса интегратора через блок задержки и с ключом передачи информации, который подключен между выходом второго интегратора и входом устройства выборкихранения, на выходе которого получаем сигнал,пропорциональный полному моменту двигателя. Существенными отличиями предлагаемого устройства является введение новых блоков и взаимосвязей.
На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства, Устройство содержит трансформатор 1 напряжения, асинхронный двигатель 2, блок выпрямления 3, датчик частоты 4, преобразователь 5 напряжения в частоту ПНЧ1. состоящий из нуль-органа 5 — 1 и интегратора 5 — 2, формирователя импульсов
5-3, ключа 5-4 сброса, устройство 6 преобразования разности частот, преобразователя 7 напряжения в частоту ПНЧ-2, датчик частоты вращения 8, вычислитель 9 момента, состоящий из двух последовательно включенных интеграторов 9 — 1 и 9 — 2 с ключами 9 — 3 и 9 — 4 сброса, блока 9 — 5 задержки и ключа 9 — 6 передачи информации, устройства 9 — 7 выборки-хранения, второй сумматор 10, модель 11 электромеханической части ротора АД2, первый сумматор 12, ПИ регулятор 13. Причем, трансформатор напряжения 1 связан первичной обмоткой со статором асинхронного двигателя 2, вторичная обмотка трансформатора 1 подключена ко входам блока выпрямления 3 и датчика
1.. частоты сети 4, выход блока выпрямления 3 подключен ко входу преобразователя 5 напряжения в частоту ПНЧ-1 (к первому входу нуль-органа 5 — 1), ко второму входу преобразователя 5 напряжения в частоту (вход интегратора 5 — 2) подключен источник постоянного напряжения Uo, выход интегратора 5 — 2 подключен ко второму входу нуль-органа 5-1, выход последнего соединен через формирователь импульсов 5-3 с ключом 5 — 4 сброса, Выход датчика 4 частоты сети подключен к первому входу устройства 6 преобразования разности частот, а второй его вход подключен к выходу преобразователя 7 напряжения в частоту ПНЧ-2, питающемуся от тахогенератора 8. Выход устройства 6 преобразования разности частот подключен ко входу вычислителя 9 момента, состоящего из двух последовательно включенных интеграторов 9-1 и 9-2 с ключами 9 — 3 и 9 — 4 сброса. Выход преобразователя 5 напряжения в частоту ПНЧ-1 соединен через блок задержки 9-5 с ключами 9 — 3 и 9-4 сброса и непосредственно с ключом 9-6 передачи информации, который подключен между выходом второго интегратора 9 — 2 и входом устройства 9 — 7 выборкихранения, выход которого подключен через второй сумматор 10 ко входу модели 11 электромеханической части ротора асинхронного двигателя, Выход датчика частоты вращения (тахогенератора) 8 подключен совместно с выходом модели 11 к первому сумматору 12, а выход последнего подключен через ПИ-регулятор 13 совместно с устройством выборки-хранения 9 — 7 ко второму сумматору 10, На фиг.2 показана временная диаграмма работы устройства, на которой;
U< — синусоидальное напряжение, подводимое к статору асинхронного двигателя;
U>cp — среднее значение напряжения на выходе блока выпрямления;
Uz — напряжение на выходе интегратора
5 — 2;
U — напряжение на выходе нуль-органа
5 — 1;
Urc, U U gf — напряжение, пропорциональное частоте тока ротора двигателя; Ои1, U>2 — напряжения на выходах интеграторов 9 — 1 и 9 — 2 соответственно; U> — напряжение, пропорциональное статическому моменту двигателя, Работа устройства основана на реализации преобразованной формулы момента асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в функции его параметров. Для практических расчетов пользуются упрощенной формулой момента асинхронного двигателя, в основу которой положено допущение, что активное сопротивление обмотки статора асинхронного двигателя R<=0, тогда 1789887 ние, R3 В +(Х1+Х2 12 (3) 50 M= (1) — +— Як S где М» — критический момент двигателя, 3U) 2Wo(R1+ R + Х1+X2 ) S, S» — текущее и критическое скольжеWo — угловая скорость. Преобразуя (I) М 2MKSSK 82 + 82 и полагая S «S», после пренебрежения членом второго порядка малости, получим M =2Мк —. S (4) SK Эта линейная часть характеристики является ее рабочей частью, на которой двигатель обычно работает в установившемся режиме, Подставляя в (4) значение М» из (2) и принимая, что R1 = О, получим 2.301S (5) 2W.RJ и после преобразований момент двигателя будет равен М = КМU1 ДW, (6) где KM = 3/R 2 Рl о; Л W= Wo — W. Устройство, реализующее формулу (6), работает следующим образом, На первый вход преобразователя 5 (интегратор 5 — 2) напряжения в частоту ПНЧ-1 поступает постоянный сигнал Uo. На выходе интегратора 5 — 2 будет действовать напряжение (фиг.2,а); т U2 = f dt = 0оТ/Ти1, Т« где Т,1 = R1C2 — постоянная времени интегрирования. Обозначив Uo/Ò 1 = Uo/R1C1 = К = const, получим U2 = КТ. Со вторичной обмотки трансформатора 1 напряжения подается синусоидальное напря>кение U1 (фиг.2,6) на вход блока выпрямления 3, на выходе которого будет действовать напряжение 01ср (фиг.2,в) U1 p = — 01. Напряжение U2 с выхода интегратора 5-2 и U1cp С ВЫХОда бЛОКа ВЫПряМЛЕНИя 3 ПОСтупают на входы нуль-органа 5 — 1, который в моменты равенства их нулю формирует импульсы напряжения О, (фиг.2,г) определен10 45 ной длительности через формирователь импульсов 5 — 3, который соединен с ключом 5 — 4 сброса для его замыкания, На выходе преобразователя 5 формируется напряжение в виде импульса, передний фронт которого совпадает с задним фронтом напряжения 0<. На выходе датчика частоты сети 4,питающегося от вторичной обмотки трансформатора 1 напряжения, формируетсЯ сигнал Ufc с частотой fc (фиг,2д), постУпающий на первый вход устройства 6 преобразования разности частот, На выходе преобразователя 7 напряжения в частоту ПНЧ-2, питающегося от тахогенератора 8, формируется сигнал Uf«с частотой foc обратной связи (фиг.2,е),поступающий на второй вход устройства 6 преобразования разности частот, Сигнал U с выхода устройства 6 преобразования разности частот пропорционален частоте тока ротора (фиг.2,ж), поступает на вход вычислителя момента, состоящего из двух соединенных последовательно интеграторов 9 — 1 и 9 — 2. Конечное значение напряжения U»K на интервале интегрирования Т (фиг.2,з) равно 1 т 0и1к = —, 0 Д1 dt =0 Д фТIТи2, Т2 о ГдЕ Ти2 = Я2С2 ПОСтсяННая ВРЕМЕНИ ИНтЕГрирования интегратора 9 — 1. Сигнал U» поступает на вход интегратора 9 — 2. Конечное значение напряжения на выходе интегратора 9 — 2 Т 0и2к = / 0и1к dt = 0и1кТIТиз "из =0 ДfT /Ти2ТиЗ, где Тиз = ВзСз — постоянная времени интегрирования интегратора 9-2. Сигнал 0 2 с выхода интегратора 9 — 2 поступает через ключ 9 — 6 передачи информации на вход устройства 9 — 7 выборки-хранения, Выход преобразователя 5 напряжения в частоту ПНЧ-1 соединен с ключами 9 — 3 и 9 — 4 сброса через блок задержки 9-5 с пере— PT даточной функцией е, и непосредственно с ключом 9 — 6 передачи информации. Блок задержки 9 — 5 обеспечивает сдвиг во времени работы ключа 9 — 6 передачи информации (t 1 ) и ключей 9 — 3 и 9 — 4 сброса (г), запаздывание на время т > т1 необходимо для того, чтобы при замыкании ключа передачи информации 9 — 6 устройство 9 — 7 выборки-хранения точно запомнило переданный с интегратора 9 — 2 сигнал U 2 (фи г.2, и). Конечное значение напряжения на входе устройства выборки-хранения будет 1789887 Си к Ки0 гТ, г где Ки = 1/Ти2 Тиз, (3 Д = Ufc Ufoc Ug, -ОД T= К0«р- период выходных импульсов. Устройство выборки-хранения запоминает и хранит значение сигнала U>z и на выходе формируется сигнал UM, пропорциональный полному моменту двигателя согласно (6). Выходной сигнал датчика полного момента двигателя 0м поступает совместно с сигналом UMc через второй сумматор 10 на вход модели 11 электромеханической части ротора, в виде напряжения, определяющего динамический момент двигателя UMp, = 0м — UMc На выходе модели 11 получаем сигнал UwM, пропорциональный угловой скорости двигателя UwM= f UMpdt. о Для определения сигнала Омс, пропорционального статическому моменту, найдем разность сигналов U Qw = UwM Uwp,. Сигнал U g с выхода сумматора 12 поступает на вход ПИ-регулятора 13, имеющего следующую передаточную функцию UBb+Ix P) Тр + 1 ОЛW(P) Т Р =тогда Овых(Р) = U „„(Р) тр +1 т1р после преобразований Формула изобретения Устройство для определения статического момента двигателя, содержащее датчик частоты вращения, выход которого связан с первым входом первого сумматора, к вторбму входу которого подключен выход модели двигателя, выход первого сумматора соединен через регулятор с первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом блока выборки-хранения, отличающееся тем,что, с целью повышения эффективности за счет возможности определения статического момента асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и увеличения точности, в него введены трансформатор напряжения, блок выпрямления, датчик частоты сети, два преобразователя напряжения в частоту, блок преобразования разности частот, блок вычисления момента, состоящий 1 Т 0вых(Р) = — „) U „„бт+ — U,,, где Т, T> — постоянные времени. Для приводов, имеющих линейную механическую характеристику, момент будет равен мри) = ppw ю1), где P — коэффициент жесткости, 10 Преобразуя уравнения привода M(W) — Mc(W) = J получим Т +W=Wo М., dW 1 ос где Tì — электромеханическая постоянная времени. В установившемся режиме = 0 dW от тогда 20. М, = Р(а/, Wy), т,е. Мс пропорционален ЛW. Таким образом сигнал Utg(x, формируемый на выходе регулятора 13, пропорционален статическому моменту двигателя 1 Т 0вых = Uvc = 1-,) U gw dr+ — U,щ Т1 o Т1 Эффективность данного устройства определяется обеспечением возможности измерения статического момента асинхронного двигателя и повышением точности измерения в системах адаптивного управления металлорежущими станками. Это позволяет рационально нагрузить металлорежущий инструмент и повысить производительность металлообработки. из двух последовательно соединенных интеграторов с ключами сброса, блока задержки, ключа передачи информации и блока выборки-хранения, а также источник постоянного напряжения, при этом вторичная обмотка трансформатора напряжения подключена к входам блока выпрямления и датчика частоты сети, выход блока выпрямления подключен к одному входу первого преобразователя напряжения в частоту, к другому входу которого подключен источник постоянного напряжения, выход датчика частоты сети соединен с первым входом блока преобразования разности частот, второй вход которого соединен с выходом второго преобразователя напряжения в частоту, связанного с датчиком частоты вращения, выход блока преобразования разности частот подключен к входу блока вычисления момента, выход первого преоб10 1789887 Составитель А. Кулакова Техред М,Моргентал Корректор Н,Гунько Редактор Т.Иванова Заказ 345 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 разователя напряжения в частоту соединен через блок задержки с ключами сброса интеграторов и непосредственно — с ключом передачи информации, который включен между выходом второго интегратора и входом блока выборки-хранения.
