Устройство формирования коммутирующего поля коллекторной электрической машины

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в коллекторных электрических машинах с компенсационной обмоткой и дополнительными полюсами и с любым типом возбуждения. Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве формирования коммутирующего поля коллекторной машины, содержащем главные полюсы, дополнительные полюсы, компенсационную обмотку и датчик тока якоря, согласно данному изобретению для улучшения коммутации в любом динамическом режиме работы коллекторной электрической машины за счет формирования необходимого коммутирующего поля для паза, находящегося в зоне коммутации, блок управления выбирает необходимый закон для изменения задания для широтно-импульсных преобразователей, питающих дополнительные полюсы, обмотки которых выполнены на вынесенной магнитной системе, для чего в блоке управления обрабатываются сигналы с датчика тока якоря и датчика положения и скорости ротора, считанные для момента, когда в зоне коммутации находился предыдущий паз. Технический результат - повышение коммутационной способности коллекторной электрической машины для различных режимов работы и состояния щеточного контакта, исключение необходимости изменения формы наконечников дополнительных полюсов и сложных методов вычислений. 3 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электрических машинах с компенсационной обмоткой и дополнительными полюсами.

Известна коллекторная электрическая машина с устройством формирования коммутирующего поля [Авторское свидетельство РФ № 1506501, Н 02 К 13/14], которая содержит главные полюсы, дополнительные полюсы, наконечники которых выполнены со скосами в тангенциальном направлении, а обмотки возбуждения дополнительных полюсов получают подпитку от усилителей, управляемых специальной системой управления, датчик скорости изменения тока якоря, датчики скорости изменения коммутирующего и главного потоков и датчик частоты вращения якоря.

Устройство формирования коммутирующего поля коллекторной машины позволяет, увеличивая ток, протекающий по обмоткам возбуждения группы дополнительных полюсов одной полярности (сбегающий край наконечников которых имеет меньший воздушный зазор, а набегающий край - больший воздушный зазор) и уменьшая ток, протекающий по обмоткам возбуждения группы дополнительных полюсов другой полярности (сбегающий край наконечников которых имеет больший воздушный зазор, а набегающий край - меньший воздушный зазор), компенсировать несимметрию реактивной ЭДС относительно середины коммутационной зоны, вызванную коммутационными вихревыми токами, а также трансформаторную ЭДС, обусловленную изменением основного потока.

Недостатком известной машины является следующее. Обмотка возбуждения дополнительных полюсов коллекторной электрической машины с устройством формирования коммутирующего поля включены последовательно с обмоткой якоря. При этом коммутирующая ЭДС пропорциональна току якоря и частоте вращения якоря и компенсирует реактивную ЭДС, тогда как в режимах, близких к холостому ходу (ток якоря незначителен), или в начале пуска (частота вращения мала) коммутирующая ЭДС и реактивная ЭДС незначительны и характер коммутации практически полностью определяется ЭДС, наводимой полем главных полюсов, в двигательном режиме это поле замедляет коммутацию, в генераторном режиме ускоряет ее. Влияние поля главных полюсов на коммутацию оказывается столь значительным, что может возникнуть необходимость уже в процессе наладки готовой машины уменьшать зону коммутации при соответствующей корректировке воздушного зазора под дополнительными полюсами. Сужение коммутационной зоны ухудшает технико-экономические показатели машины. Уменьшается коэффициент полюсного перекрытия, следовательно, ухудшается использование окружности якоря, при тех же геометрических размерах мощность машины уменьшается. Кроме того, корректировка воздушного зазора под дополнительными полюсами без разборки машины возможна только в случае применения специальных технических решений.

Наиболее близким по техническому решению к заявляемому устройству улучшения коммутации коллекторных машин является выбранная в качестве прототипа электрическая машина постоянного тока с устройством формирования коммутирующего поля [Патент РФ № 2119224, Н 02 К 13/14], содержащая главные полюсы, дополнительные полюсы, наконечники которых выполнены со скосом в тангенциальном направлении, с обмотками, подключенными к выходам усилителей; датчик частоты вращения якоря, датчик тока якоря, датчик тока возбуждения, датчик наличия тока в цепи возбуждения главных полюсов, соединенный с блоком синхронизации, снабжена блоком расчета, первый, второй и третий входы которого соединены с выходами датчика тока главных полюсов, датчика частоты вращения якоря, датчика тока якоря, четвертый, пятый и шестой входы блока расчета соединены с выходами блока синхронизации, выходы блока расчета соединены с сигнальными входами усилителей, подающих питание на обмотки возбуждения дополнительных полюсов.

Недостатками ее являются: необходимость изменения формы наконечников дополнительных полюсов, сложный алгоритм расчета с применением аппроксимаций и методов численного решения систем дифференциальных уравнений.

Предлагаемое устройство формирования коммутирующего поля коллекторной электрической машины управляет токами обмоток дополнительных полюсов во время нахождения паза в зоне коммутации на основании значений тока якоря и скорости, полученных для предыдущего паза. Данное устройство не требует сложных методов вычислений, т.к. работа блока управления сводится к выбору закона изменения заданий на широтно-импульсные преобразователи, к выходам которых подключены обмотки дополнительных полюсов.

Предлагаемое устройство формирования коммутирующего поля коллекторной электрической машины, содержащей главные полюсы, дополнительные полюсы, расположенные на вынесенной магнитной системе, аналогичную вынесенной магнитной системе двигателя НБ-412К-ВМС [В.Е.Скобелев. Двигатели пульсирующего тока, стр. 196, рис. п.6.], и компенсационную обмотку, состоит из обмотки якоря, обмотки возбуждения главных полюсов, независимых обмоток дополнительных полюсов, датчика тока, включенного последовательно с обмоткой якоря, датчика положения и скорости ротора, жестко закрепленного на валу ротора, блока управления, считывающего значения с датчика тока якоря и датчика положения и скорости ротора для паза, находящегося в зоне коммутации, и выбирающего на основании этих сигналов закон изменения задания на широтно-импульсные преобразователи для следующего паза, к выходам которых подключены независимые обмотки дополнительных полюсов.

На фиг.1 показана схема устройства формирования коммутирующего поля коллекторной электрической машины. Коллекторная машина 1 содержит главные полюсы, дополнительные полюсы, расположенные на вынесенной магнитной системе, компенсационную обмотку, обмотку якоря 2, обмотку возбуждения главных полюсов 3, группы обмоток дополнительных полюсов 10 и 11, подключенных к выходам широтно-импульсных преобразователей 8 и 9. Последовательно с якорем включен шунт 4, сигнал с которого вместе с сигналом датчика положения и скорости ротора 5 поступает на входы блока управления 6, который по значениям, полученным для предыдущего паза, выбирает необходимый закон изменения задания для последующего паза, выходы блока 6 подключены к входам задания широтно-импульсных преобразователей 8 и 9.

Для компенсации запаздывания потока дополнительных полюсов осуществляется упреждающее формирование заданий на широтно-импульсный преобразователь на время t_f. Действие же вихревых токов можно скомпенсировать, применив вынесенную магнитную систему коммутирующего потока.

Задачей блока управления 6 является обеспечение такого задания на ШИП (блоки 18 и 19), чтобы коммутирующая ЭДС е_k в любом режиме работы компенсировала сумму мгновенных значений реактивной ЭДС е_r, трансформаторной ЭДС e_t и ЭДС от поля главных полюсов e_г. То есть e_k=-(e_r+e_t+e_г).

Схема работает следующим образом.

Задачей устройства формирования коммутирующего поля коллекторной электрической машины является повышение коммутационной способности коллекторной электрической машины для различных режимов работы и различного состояния щеточного контакта. На фиг.1 изображена машина постоянного тока последовательного возбуждения, например тяговый двигатель, у которого вопросы повышения коммутационной способности и надежности стоят наиболее остро. Однако устройство может быть использовано также для коллекторной электрической машины с любым типом возбуждения, имеющей компенсационную обмотку и дополнительные полюсы, расположенные на вынесенной магнитной системе.

С помощью любого из известных датчиков положения и скорости ротора 5 [Патент США № 4812803, Н 01 С 10/34, Патент Германии № 19609817, Р 02 К 11/00] определяется момент вхождения паза в зону коммутации, путем подачи с датчика соответствующего сигнала t_паза по его заднему фронту считывается значение t_ц с интервального таймера 7, выполненного внутри блока управления, далее таймер обнуляется и запускается вновь. За время t_паза считывается значение тока якоря i_a с шунта 4, установленного в цепи якоря. Также за время t_паза блок управления производит расчет мгновенной скорости вращения якоря ω =f(t_ц) и рассчитывает произведение (i_a·ω) и t_f=f(di/dt), no которому выбирает закон управления токами обмоток дополнительных полюсов. По переднему фронту импульса из интервального таймера 7 считывается значение t_паза, необходимое для расчета времени t_упр. По поступлении следующего сигнала все процессы повторяются. В качестве блока управления 6 можно использовать микропроцессорную систему.

Временная диаграмма цикла работы блока управления 6 представлена на Фиг.2, где

t_паза - время, в течение которого паз находится под дополнительным полюсом;

t_ц - время одного цикла работы блока управления;

t_f - время, необходимое для компенсации запаздывания потока дополнительных полюсов;

t_ynp=t_ц-t_f-t_паза - время между выходом предыдущего паза из коммутации и подачей упреждающего сигнала для следующего паза.

Блок-схема алгоритма работы блока управления 6 приведена на Фиг.3. В блоке 12 происходит считывание мгновенного значения тока якоря i_a, t_ц и t_f.

В блоке 13 происходит расчет скорости вращения якоря ω как функции t_ц.

В блоке 14 производится расчет времени t_ynp:

t_упр=t_ц-t_f-t_паза.

В блоке 15 мгновенные значения i_a и ω приводятся к относительным значениям тока i_a* и скорости ω :.

ω *=ω /ω _н;

i_a*=i_a/i_aн,

где t_aн - мгновенное значение тока якоря при номинальном режиме;

ω _н - мгновенное значение скорости якоря при номинальном режиме.

Затем масштабные сигналы поступают на блок 16 умножения, где рассчитывается относительная величина реактивной ЭДС как произведение относительных величин тока и скорости вращения якоря:

e_r*=i_a*· ω *.

В блоке 17 производится расчет магнитного потока основной магнитной цепи с учетом кривой намагничивания:

ϕ *=f(i_a*).

Далее в блоке 18 производится расчет относительной трансформаторной ЭДС:

e_t*=-dϕ /df.

В блоке 19 производится расчет трансформаторной ЭДС для текущего режима работы:

e_tk*=k_t·e_t*,

где е_rk* - относительная трансформаторная ЭДС в текущем режиме;

k_t - коэффициент перехода от номинального режима к текущему.

Величина k_t определяется на стадии проектирования для разных режимов работы.

В блоке 20 производится расчет ЭДС от поля главных полюсов в относительных величинах:

e_г*=f(ϕ *).

В блоке 21 рассчитывается относительная коммутирующая ЭДС:

eΣ _k*=e_r*+e_tk*+e_г*.

В блоке 22 определяется напряжение задание на ШИП в относительных единицах:

u_k*=eΣ _k*.

В блоке 23 производится перевод из относительных величин в действительные значения напряжений задания на ШИП для групп дополнительных полюсов N и S:

u_kзадN,S=u_k*· u_kн,

где u_kн - напряжение задания на ШИП для номинального режима работы.

В блоке 24 производится вывод u_{k зад N} и u_{k зад S} на ШИП для конкретного режима работы.

Устройство формирования коммутирующего поля коллекторной машины, содержащее главные полюсы, дополнительные полюсы, компенсационную обмотку, датчик тока якоря, отличающееся тем, что, с целью улучшения коммутации в любом динамическом режиме работы коллекторной электрической машины за счет формирования необходимого коммутирующего поля для паза, находящегося в зоне коммутации, блок управления выбирает необходимый закон для изменения задания для широтно-импульсных преобразователей, питающих дополнительные полюсы, обмотки которых выполнены на вынесенной магнитной системе, для чего в блоке управления обрабатываются сигналы с датчика тока якоря и датчика положения и скорости ротора, жестко закрепленного на валу электрической машины, считанные для момента, когда в зоне коммутации находился предыдущий паз.