Вентильный электропривод постоянного тока

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВКДВТВЛЬСТВУ

Союэ Советскик

Социалмстмчесиик

Респубпни г1И7Ы11 (61) дополнительное к авт. свил-ву (22) Заявлеио19.07.76 (21) 2388165/24-07 с присоединением заявки № (23) Приоритет—

Опубликовано 15.04.79,Бюллетень № 14

Дата опубликования описания 18 04 79 (51) М. Кл

Н 02 P 5/36

Государственной квинтет

СССР но делам нэобретеннй н открытнй (53) УДК 621.313. .2(088.8) А. М. Дубников (72) Автор изобретения

Особое конструкторское бюро станкостроения (71) Заявитель (54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА т5

Изобретение относится к устройствам управления электродвигателями постоянного тока и может быть использовано в реверсивных электроприводах с раздельным управлениел группами вентилей, имеющих зону прерывистых токов якоря двигателя, а также в нереверсивных электроприводах с одной группой вентилей и в реверсивных электроприводах с совместным управлением группами вентилей и нелинейным согласованием при наличии зоны прерывистого тока. При этом техническое решение может быть использовано в однозонных и двухзонных электроприводах, как имеющих датчик обратной связи по скорости, так и работающил в разомкнутой по скорости системе.

Известны вентильные электроприводы постоянного тока, в которых с целью улучшения характеристик электропривода в режиме прерывистого тока вентильного преобразователя введен блок компенсации нелинейности.

Первое из известных устройств содержит замкнутую систему регулирования частоты вращения исполнительного двигателя постоянного тока, включаюшую в себя управляющий элемент, состоящий из источника задающего напряжения, тахоге нератора и регулятора частоты вращения, звено импульсно-фазового управления, вентильный преобразователь, датчик тока, блок компенсации нелинейности режима прерывистого тока. Вход блока компенсации подключен к датчику тока, установленному в цепи якоря двигателя. Выход блока компенсации через широтноимпульсный переключатель подключен к регулятору частоты вращения.

Компенсация нелинейности характеристик электропривода в режиме прерывистого тока вентильного преобразователя осуществляется путем изменения коэффициента передачи ПИ-регулятора частоты вращения в функций длительности импульса тока в якоре двигателя.

657561

&горой из известных вентильных электроприводов постоянного тока выполнен по схеме с подчиненным регулированием тока 11. B этом электроприводе замкнутая система регулирования частоты вращения содержит регулятор частоты вращения и регулятор тока, состоящий из пропорционально-дифференциального и интегрального регуляторов, и блок компенсации нелинейности режима прерывистого тока, подключенный входом к датчику тока, а выходом к регулятору тока.

Компенсация нелинейности режима прерывистого тока в электроприводе достигается за счет широтно-импульсного переключения структуры и параметров регулятора тока.

Недостаток рассмотренных устройств заключается в том, что для фиксации протекания тока через вентили необходимо использовать датчик тока с высокой степенью чувствительности. Это снижает помехозащищенность системы управления и, следовательно, эксплуатационную на. дежность электропривода.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является вентильный электропривод постоянного тока (2, содержащий блок управления, реверсивный вентильный преобразователь, исполнительный двигатель постоянного тока и блок компенсации нелинейности режима прерывистого тока, подключенный к суммирующему элементу на входе звена импульсно-фазового управления. Компенсация нелинейности режима прерывистого тока реализована путем введения на вход вентильного преобразования сигнала, функционально зависящего от разности между напряжением на входе звена импульсно-фазового управления вентиль» ным преобразователем и напряжением, пропорциональным ЭДС двигателя.

11елью изобретения является повышение надежности и стабильности характеристик электропривода с блоком компенсации нелинейности режима прерывистого тока.

Поставленная цель достигается за счет того, что блок компенсации содержит IIQ» следовательно соединенные звено фиксации начала бестоковой паузы, состоящее из трансформатора, резистора, конденсатора и выпрямителя, пороговый элемент с двумя входами, звено временной развертки напряжения и нелинейный элемент, причем первичная обмотка трансформатора звена фиксации начала бестоковой паузы через резистор и конденсатор этого звена подключена к якорю двигателя, второй вход порогового элемента через дифференцируюшую цепочку подключен к второму выходу звена импульсно-фазового управления, а начало и конец вторичной обмотки трансформатора подключены к выпрямителю и, через ключи, к общей точке схемы управления.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого электропривода; на фиг. 2 — кривые токов 3 и напряжений на входе звена импульсйо- фазового управления, поясняющие принцип линеаризации характеристик электропривоца; на фиг. 3 — кривые тока 3> и напряжения U на якоре двигателя в режиме

Я прерывистого тока; на фиг. 4 — кривые напряжений на выходе звеньев блока компенсации в предлагаемом электроприводе.

Электропривод состоит из блока управления 1, вентильного преобразователя 2, двигателя постоянного тока 3, блока 4 компенсации нелинейности характеристик электропривода в режиме прерывистого тока.

Блок управления 1 содержит управляющий элемент 5, выход которого подключен к реверсору 6 и логической схеме 7.

Вход логической схемы 7 подключен к датчику тока 8, а один из выходов — к реверсору 6. Выход реверсора 6 подсоединен к одному из входов суммирующего элемента 9, а выход суммирующего эле35 мента 9 подключен к входу звена импульсно-фазового управления 10. Выход звена 10 через переключатель 11, к которому подсоединен также второй выход логической схемы 7, подключен к управ40 ляющим переходам вентилей преобразователя 2.

Блок 4 компенсации нелинейности режима прерывистого тока содержит трансформатор 12, первичная обмотка которого

45 через резистор 13 и конденсатор 14 подключена к якорю двигателя 3. Вторичная обмотка трансформатора 12 через выпрямитель 15 подсоединена к одному из входов порогового элемента 16. Вто50 рой вход порогового элемента 16 через дифференцирующее звено 17 подсоединен ко второму выходу звена импульсно-фазового управления 10 блока управления

1. Выход порогового элемента 16 подключен к входу звена временной развертки напряжения 18, выход которого через нелинейный элемент 19 подсоединен к входу суммирующего элемента 9 блока

») 65) 75С) 1

25 также положительна. уп(>I>J>olr»я .l.. Концы пто >»иной обмотки трансформ)>тора 12 через к:почи 20, 21 подключены также к общей точке схемы.

Входные цепи управления ключей 20, 21 подсоед»нешя к выходу логической схемы 5

7 блока управления 1.

Злектропривод работает следующим образом.

Управляющее напряжен»> от звена 5 через реверсор 6 подается на вход суммирующего элемента 9. Выходное напряжение суммирующего элемента 9 поступает на вход звена импульсно-фазового управления 10. Импульсы îr звена 10 через переключатель 1 1 нодак)тся на управляющие переходы тиристоров одной из групп реверсивного преобразователя 2, питающего якорную цепь двигателя постоянного тока 3.

Выходное напряжение управляющего элемента 5 поступает так)ке на вход логической схемы 7, на второй вход которой подается напряжение от датчика тока 8, При этом знак напряжения на выходе датчика тока 8 не зависит от направления тока в якоре двигателя 3.

В зависимости от состояния логической схемы 7 осуществляется переключение элементов в звене 6 таким образом, что знак напряжения на выходе звена 6

30 меняется только во время переключения групп вентилей в реверсивном преобразователе 2. Переключение групп в вентильном преобразователе 2 происходит в за35 висилюсти от знака напряжения на выходе управляющего элемента 5 и состояния вентилей отключаемой группы. Ilp» изменении знака выходного напряжения управляющего элемента 5 меняется знак нап40 ряжения на выходе звена 6 и на входе звена импульсно-фазового управления 1 О.

Вследствие изменения знака входного напряжения звена 10 угол открытия вентилей преобразователя 2 становится близ ким к максимальному, и ток в работающей группе вентилей прекращается. При этом изменяется состояние логической схемы 7, которая управляет переключателем 1 1, распределяющим импульсы управления от звена импульсно-фазового управления 10 по группам вентилей преобразователя 2, Выходные цепи звена

10 отключаются от управляющих переходов обесточенной группы вентилей и подключаются к управляющим переходам встулающей в работу группы. Одновременно происходит изменение полярное ги напряжения на выходе звена 6, и после переключення групп вентилей преобразователя 2

:шдк напряжения на выходе реверсора 6 не за>зисит от знака напряжения на выходе управляющего элемента 5 и направления тока в якоре двигателя 3. Напряжение О якоря двигателя 3 подается па вход блока компенсации 4.

Принцип компенсации нелинейности характеристик в предлагаемом электроприводе заключается в том, что на вход звена импульсно- (>азо>зого управления подается напряжение нелинейной отрицательной обратной связи по величине бестоковой паузы в сиЛовой части вентильного преобразователя, Введение сигнала отрицательной обратной связи по величине бестоковой паузы эквивалентно введению сигнала положительной обратной связи по длительности импульса тока, что следует из соотношения д= f.., (1) г де B длительность бестоковой паузы, в рад;

Л. — длительность импульса тока, в рад»

m — число фаз вентильного преобразователяя.

Приближенная величина приращения напряжения Z U на входе звена импульсно-фазового управления, необходимого для компенсации нелинейности характеристик вентильного электропривода в режиме прерывистого тока якоря двигателя, определяется из соотношения

".= »(">- -(— } —,), < > где k — коэффициент пропорциональности, имеющий размерность в рад;

С вЂ” коэффициент, зависящий от параметров электропривода и числа фаз вентильного преобразователя.

Это соотношение на основании выражения (1) можно записать в виде ((т т} (т» } с} >)о» 8 где

О) Заметим, что в реальных эпектроприводах С 3> И «0, k«O и f(В) при О } —

2>>

657561

Таким образом, компенсация нелинейности характеристик может быть осуществлена путем введения в суммирующий элемент на входе звена импульсно-фазового управления постоянного напряжения

U и напряжения нелинейной обратной о отрицательной связи по 8 . При этом для токов прерывистого режима, близких к гранично-непрерывному, эта зависимость практически линейна (при малых

6 ), нелинейность же в наибольшей степени сказывается при малых токах в якоре двигателя.

И предлагаемом электроприводе закон изменения напряжения U на выходе бло35 ка компенсации 4 определяется соотношеи ием

u„=k,(i)+ <(4),: где (Д вЂ” круговая частота питающей сети — текущее время.

При отсутствии тока 3> в якоре двигателя 3 амплитуда напряжения Q имеет

h максимальное значение, равное л „ 1 т (т ). (5)

8 2@

Так как в этом случае u= —, а И должно быть равно нулю, то на основании

36 выражения (3) на вход суммирующего элемента 9 должно быть подано напряжение смещения U компенсирующее и гий,х

В реальном электроприводе напряжение

3$

Ц на вход суммирующего элемента 9 не подается, а компенсация ц

h max осуществляется в звене импульсно-фазового управления 1 О.

Мгновенное значение напряжения Ц

А ц на выходе блока компенсации 4 в момент появления очередного импульса управления вентильным преобразователем 2, т. е. в конце паузы тока 3, определяется . из выражения (4) иодстановкойоА =Р

Напряжением поступает на вход суммиЛ0 рующего элемента 9. При этом на входе звена импульснофазового управления 10 56 имеет место суммарчое напряжение у, определяемое зависимостью

U =u +V -М b f(6), (7) у у о

На фиг. 2 приведена диаграмма напряжений 3 и О, на входе звена 1 О ири

% у1 двух значениях Д и 3> гока якоря

Д1 здвигателя 3 для йаиряже1ия Ц па выходе уиравчяющего элемента 5. При этом 3Р 5 3

Р р

)Ь фиг. -" нанесено линейное опорное на!1рях<ение ЦОп в звене импульснофч зового управления 10. Напряжения Уу и Ч„на фиг. 2 для упрощения графйчесу2 ких построений условно показаны линейными. Как видно из фиг. 2, начало развертки напряжения U> по окончании импуль2. са тока 3 отстает от начала развертки напряженйя ио окончании импульса тока

3, Зто приводит к уменьшению угла открытия вентилей преобразователя 2 на величинудб . и к увеличению напряжения на якоре двигателя 3.

Таким образом,на вход звена импульсно- фазового управления 1О вводится сигнал компенсации нелинейности характе ристик электропривода в области прерывистого тока.

Входная цепь блока компенсации 4 состоит из последовательно соединенных первичной обмотки трансформатора 12, резистора 13 и конденсатора 14-. При этом постоянная составляющая напряжения

Ц на первичную обмотку трансформатора 12 не поступает, и напряжение первичной обмотки трансформатора 12 соответствует напряжению пульсаций на якоре двигателя 3. Эти пульсации напряжения определяются синусоидальной формой напряжения сети, пигающего вентильный преобразователь 2, и током якоря двигателя 3. Кривые тока якоря двигателя, напряжения на якоре двигателями и,напряжения 15 на вторичной обмотке трансформатора 12 в области прерывистого тока якоря двигателя, приведены на фиг. За,б, в, На фиг. 3 б показан также уровень

ЭДС двигателя Е„, фаза напряжения Ц„ определяется работающей группой вентилей преобразователя 2, r. е. направлением тока 3) в чкоре двигателя 3 и не меняется при работе этой группы как в выпрямительном, так и в инверторном режимах, Прц работе группы в инверторном режиме меняется лишь знак напряжения на конденсаторе 14. При изменении направления тока в якоре двигателя 3, т. е. при переключении групп вентилей преобразователя 2, фаза напряжения БТ о меняется на 18О .

Параметры резистора 13 и конденсатора 14 выбираются таким образом, что обеспечивается практически скачкообраз« ное изменение полярности напряжения UT в момент окончания импульса тока

B якоре двигателя 3. На фиг. 4 приведена кривая напряжения при работе одной из групп вен Г ил ы!о! о преоб )я ювате)! я 2

Будем с %ите1ть, !то IIpH работе одной из групп вентилеи l1peoGpe OOI! IreëI! 2 !напряжение Ur, показанное на фиг. 4, выделяется на начале (на фиг. 1 обозначено ro÷êîé) вторичной обмотки трансформатора 12. При этом открыт ключ 20, ключ 21 заперт, и на вход порогового элемента 16 поступает отрицательное напряжение 1Х„(фиг. 4) с длительностью а, соответствующее отрицательному

И напряжению пульсации U», т. е. спадающему участку тока 3,. Положительное

И напряжение пульсаци!! U через выпряТ митель тока не проходит., так как вторичная обмотка трансформатора 12 через диод выпрямителя 15 шунтируется открытым ключом 20, При работе другой груп20 пы вентилей преобразователя 2 фаза иапо ряжения меняется на 180 С, в этом случае открыт ключ 21, ключ 20 заперт.

При этом на вход порогового элемента

16 поступает отрицательное напряжение

U (фиг. 4), соответствующее положительному напряжению пульсации U», т. е. также спадающему участку тока

3p . Отрицательное напряжение пуль- Зр сации l3T через выпрямитель не проходит, так как вторичная обмотка трансформатора 12 через диод выпрямителя 15 шунтируется открытым ключом 21. Ключи 20 и 21 управляются логической схе- 3% мой 7 блока управленич 1.

Таким образом, на вход порогового элемента 16 подается напряжение 1Х полярность которого не зависит от фазы напряжения U, т. е. направления тока 40 в якоре двигателя 3, а окончание импульса напряжения на входе порогового элемента 16 определяется моментом окончания импульса тока 3

На второй вход порогового элемента

16 через дифференцируюшее звено 17 подается импульс от звена импульснофазового управления 10. В результате выходное напряжение !-! (фиг. 4) порогового элемента 1 6 состоит. их двух импульсов: узкого импульса, соответствующего началу формирования сигнала управления в звене 1 О, и импульса, определяемого напряжением Х, Выходное напряжение 0„порогового элемента l 6 поступает на вход звена временной развертки напряжения 18. Звено временной развертки напряжения 18

10 может быть выло)!не!!о, например, в вид авена с линейно изменяющимся выходным напряжением Бр (фиг, 4) . Напряжение

U становится равным нулю при подаче импульса or звена 16. При отсутствии тока в якоре двигателя 3 иапряжениеЦ и на вход порогового элемента 16 не поступает, и на выходе звена временной развертки 18 имеет место напряжение пилообразной формы с постояйной амплиту дой, Ilp» наличии тока 3> за интервал qIIcкретности вентильного преобразователя 2 на выходе звена 1 8 имеют место две развертки напряжения. Начало первой развертки определяется моментом окончания импульса от звена 17, а на гало второй развертки совпадает с моментом окончания импульса тока J

Выходное напряжение звена временной развертки напряжения 18 через нслинейный элемент 19 подается в вийе напряжения отрицательной обратной связи на вход суммирующего элемента 9 блока управления 1. При этом мгновенное значение напряжения на выходе нелинейного элемента 19 в момент формирования импульса управления вентильным преобразователем представляет собой величину, зависящую от ьеличины паузы тока. При увеличении плительности импульса тока

3 мгновенное значение напряжения отрицательной обратной связи по бестоковой паузе в момент формирования импульса управления вентильным преобразователем уменьшается, что эквивалентно введению положительной обратной связи по длительности импульса тока якоря.

В области непрерывного тока 3 пауза тока отсутствует, окончание одного импульса тока совпадает с моментом появления следующего импульса тока 3 и в точке аересе IåíèII кривой напряжения

Ц с линией опорного напряжения 0 т. е. в момент открытия очередного вентиля преобразователя 2, напряжение U на ьыходе звена 19 равно нулю. В этом ! учае в к омент пересечения линии Ц с линией УС, на входе звена. импульсно-фазового управления 10 имеет место сумма напряжений В„4 U! э.

Таким образом, в режиме непрерывного тока Д блок компенсации нелиней3 ности режима прерывистого тока 4 не оказывает влияния на работу злектропри»

BODB.

657561

В режиме прерывистого тока 3 предлагаемый электропривод имеет более стабильные характеристики по сравнению с прототипом. Это связано с тем, что выходное напряжение U áëoêà компенсации 4 определяется непосредственно величиной бестоковой паузы в силовой цепи вентильного преобразователя 2, или длительностью импульсов тока, и не зависит от других параметров электропривода, например от значений начальной фазы импульсов в звене 1 О. Воздействие на характеристики электропривода блока компенсации .4 в режиме непрерывного тока 3 исключается по самому принципу компенсации нелинейности режима прерывистого тока в предла гаемом электрон рив оде.

Так как в отличие от прототипа компенсация нелинейности характеристик электропривода в режиме прерывистого тока осуществляется без введения в блок компенсации информации о величине частоты вращения или ЭДС двигателя, такой электропривод может быть использован как в замкнутой системе регулирования частоты вращения вала двигателя, так и в разомкнутой по частоте вращения электроприво- ,да, а также в однозонных и в двухзонных электроприводах.

Указанные отличия приводят к повышению надежности и стабильности характеристик предлагаемого электропривода по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

Вентильный электропривод постоянного тока, содержащий блок управления, состоящий из управляющего элемента, выход которого через реверсор и суммирующий элемент соединен с входом звена импульснол азового управления, и логической схемы с датчиком состояния вентилей, один из выходов которой соединен с реверсором, а один из ее входов с выходом управляющего элемента, вентильный преобразователь, вход которого через переключатель соединен с одним из выходов звена импульсно-фазового управления, один из выходов преобразова- теля подключен к исполнительному двигателю, а второй выход через датчик состояния вентилей соединен с логической схемой, и блок компенсации нелинейности режима прерывистого тока с двумя ключами, выход которого подключен к суммирующему элементу, а входы ключей соединены с логической схемой, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения надежности и стабильности характеристик электропривода, блок компенсации содержит последовательно соединенные звено фиксации начала бестоковой паузы, состоящее из трансформатора, резистора, конденсатора и выпрямителя, пороговый элемент с двумя входами, звено временной развертки напряжения и нелинейный элемент, причем первичная обмотка трансформатора звена фиксации начала бестоковой паузы через резистор и конденсатор этого звена подключена к якорю двигателя, второй вход порогового элемента через дифференцирующую цепочку подключен к второму входу звена нмпульснофазового управления, а начало и конец вторичной обмотки трансформатора подключены к выпрямителю и, через ключи, к общей точке схемы управления.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.ТесЫьсЬе МЖюб е .4ГЧ-7ehfunken, 1971, т. 61, 7, с. 371-374.

2. "Динамика вентильного электропривода постоянного тока", под ред.

А. Q. Поздеева, N„"Ýíåðãèÿ", 1975, с. 85.

657561 и, ир

Фиг.4

Фиг. Х

Составитель В Ладик

Техред Л. Алферова Корректор Г. Назарова

Редактор Н. Каменская

Заказ 2267/4 Тираж 856

IlHHHfIH Государственного комитета СССР о делам изобретений и открытий

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

Подписное

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