Способ управления электроприводом постоянного тока и устройство для его осуществления

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (i i i 7() 5632

Союз Советскик

Соцмалмстическик

Республик

Б ,1" 1 д (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено22,08.77 (21) 2521496/24 07 (51)M. Кл. с присоединением заявки РЙ

Н 02 P 5/06

Гкударствекный квнктет

СССР вв делам кэюбретенкй н открытей (23) Приоритет(53) УД К62 1,316, .7 l 8.5 (0 88,8 ) Опублнковано25,12.79, Бюллетень Ж47

Дата опубликования описания30.12.79

1 (72) Авторы изобретения

М. В. Мительман, В, В. Данковский и А, В, Покотилов

Украинский филиал Всесоюзного научно-исследовательского и проектного института по системам автоматизированного управления в газовой промышленности (71) Заявитель

/ (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

ПОСТОЯННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение касается управления электроприводами постоянного тока, работаюшими с большим диапазоном изменения напряжения на якоре электродвигателя, магнитного потока его главных полюсов и нагрузок на валу.

К таким электроприводам относится электроприводы вращения ротора буровых установок, электроприводы реверсивных одноклетьевых двухвалковых станов: горя10 чей прокатки листа, приводы шпинделя. цтлифовальных станков. Для всех электро приводов характерны большие перегрузки при низкой частоте вращения (например, при ликвидации прихватов колонны труб или при первых обжатиях сляба), большой необходимый диапазон регулирования скорости, в том числе путем ослабления магнитного потока, высокое быст20 родействие для поддержания заданного уровня скорости или для предохранения от поломки редуктора, колонны буриль ных труб или шестеренной клети.

В электродвигателях постоянного тока в некоторых режимах, например в двигательных, при значительных нагруз» ках и ослабленном магнитном потоке главных полюсов, происходит искажение магнитных полей в зоне коммутации, что приводит к смешению физической нейтрали, увеличенито искрения по шеткам и даже создает возможность возникнове-ния кругового огня. Для устранения этого явления может быть применено изменение ампервитков добавочнь;х полюсов, Так, например, предусматривается шунтирование обмотки добавочных полюсов тиристорным регулятором лри повышении частоты вращения электродвигателя Pj

Первым сушественным недостатком этой схемы являются необходимость применения большого числа параллельных тиристоров в машинах средней и большой мошности и большие габариты устрой» ства, трудность отключения шунтирутоших цепей при понижении частоты вращения, ступенчатый характер регулирования ве4 ным сопротивлением, так как в противном случае через эти щетки, расположенные в зоне максимальных межламельных на-, пряжений, при закорачивании двух сосед, них ламелей протекает большой ток, что приводит к искрению в наиболее опасной

-зоне коллектора.

Вышеизложенным решением предусматривается только ограничение скорости изменения тока якоря, но не предусматривается управление коммутацией в длительных режимах, что не дает воэможности полностью использовать нагрузочные возможности электродвигателя в- длительных режимах, в особенности при большом диапазоне регулирования скорости путем регулирования тока возбуждения или может привести к значительному электроэрозионному износу коллектора и снижению надежности при более полном исполь зовании нагрузочных возможностей электродвигателя. Этот недостаток особенно существенен при большом диапазоне регулирования скорости изменения тока возбуждения.

Келью данного изобретения является повышение надежности электропривода и повышение использования нагрузочных возможностей электродвигателя при его работе с большим диапазоном изменения скорости регулированием магнитного по тока в длительных режимах работы с резкими толчками нагрузки.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе управления электроприводом постоянного тока, включающем измерение межламельного напряжения электродвигателя и регулирование скорости юменения тока якоря, межламельное напряжение измеряют в точках коллектора, расположенных симметрично по от« ношению к оси основных рабочих щеток и в функции величины этого напряжения и скорости его измейения корректируют магнитный поток добавочных полюсов, а при превышении величиной этого напря жения допустимого значения, что свидетельс гвует о высоком уровне искрения на коллекторе, ограничивают величину тока якоь, В устройстве для осуществления этого способа, содержащем электродвигатель, коллектор которого снабжен основными рабочими и дополнительными измерительными щетками, вентильный пре; образоватець, подключенный своим выходом к основным рабочим щеткам, последовательно вклокоченные блок задания, регулятор частоты вращения, в цепь o6-

3

705632.. личины сопротивлений, шунтирующих обмот:,ки добавочных полюсов. Использованный

:в этом устройстве способ регулирования, заключающийся в уменьшении магнитного потока добавочных полюсов при росте скорости электродвигателя, не позволяет применять его для электродвигателей при работе их в быстродействующих электроприводах с большими перегрузками, в особенности при частотах вращения 10 ниде номинальной.

Известен также способ регулирования коллекторной электрической машины, в котором нарушение баланса магнитных потоков в зоне коммутируемой секции, т.е. смешение физической нейтрали при нагрузке, в одном каком»то режиме предлагается устранять путем смещения основных рабочих щеток в определенное положение на коллекторе, определяемое равенством напряжения между вышеупомянутыми щетками и расположенными симметрично по отношению к ним дополнительными щетками 27.

Недостатками этого способа является возможность установки щеток точно на физической нейтрали только в одном режиме, Изменение положения физической нейтрали с изменением режима во время . работы машины этим способом ке предусматривается.

Таким образом, решение задачи обеспечения удовлетворительной коммутации электрической машины не может быть полностью решено известными применяемыми в электрических машинах средствами, даже при применении дополни« тельных усилителей .

Наиболее блюким к изобретению по

40 технической сущности и достигаемому результату является способ,. который предусматривает регулирование скорости изменения тока якоря в функции макси» мального межламельного напряжен!:я.

Устройство для реализации этого способа содержит источники регулируемого напряжения, подключенные к якорю электродвигателя и его обмотке возбуждения, регулятор и датчик тока якоря регулятор 50 и датчик напряжения на якоре, датчик тока возбуждения, выделители модуля сигнала, две диодно-мостовые схемы и дополнительные измерительные щетки, установленные в зоне максимальных межламельных напряжений )3).

Существенным недостатком, прототипа является необходимость применения измерительных щеток, с очень высоким Ооъем20

5 70563 ратной связи которого включена диагональ переменного тока первого диодного моста, и регулятор тока якоря, ко вхо дам которых соответственно подключены датчики частоты вращения и тока якоря, первый блок нелинейности, вход которого соединен с измерительными. щетками, а выход — с диагональю постоянного тока первого диодного моста, второй диодный мост, второй блок нелинейности н датчик . 10 напряжения, добавочные полюса электродвигателя снабжены корректирующей обмоткой, присоединенной к выходу дополнительно введенного быстродействующего усилителя мощности, дополнительные из- 15 мерительные щетки установлены симметрично по отношению к оси основных рабочих теток на расстоянии, не превышающем трех коллекторных делений, в него также введены источник стабилизированного напряжения, транзистор, датчик

ЭДС электродвитателя и четыре резистора, при этом первый зажим входа быст родействующего усилителя мощности подсоединен последовательно с двумя резис- 25 торами к одной из дополнительных измерительных щеток, второй зажим входа быстродействующего усилителя мощности подсоединен ко второй дополнительной измерительной тетке и одному из выводов З0 переменного тока второго диодного моста, второй вывод переменного тока которого подключен к обшей точке двух выли еупомянутых резисторов, а диагональ постоянио1 о тока шунтирована эмиттер-коллекторным переходом транзистора, база которого соединена с положительным выводом вторса"о блока нелинейности и через объединен ные выводы двух других резисторов под ключена к источнику стабилизированного

40 напряжения, положительный выход кото рого подключен к эмиттеру транзистора и отрицательному выводу второго блока нелинейности, входы которого соединены с датчиком напряжения и датчиком ЭДС.

Способ осуществляют следующим образом.

Нарушение коммутации электродвигателя постоянного тока в первую очередь

50 проявляется в виде искрения под основ ными рабочими тетками. Если это нарушение не вызывается механическими причинами, в коммутируемой секции появляется ЭДС, нескомпенсированная в результа

$5 те действия магнитного потока добавоч» ных полюсов. Чем больше эта ЭДС, тем больше искрение под сбегающим или набегающим краем тетки. При этом, чем

2 6 больше некомпенсированная ЭДС в коммутируемой секции, тем больше разность потенциалов (напряжение) между точками коллектора, расположенными симметрично по отношен1по к рабочим щеткам на расстоянии не превышающем 2-3 коллекторных деления, Данным способом предусматривается измерение этого напряжения и выработка в функции этого напряжения сигнала пля корректировки магнитного потока добавочных полюсов. В динамических режимах работы электропривода, характеризующихся высокой скоростью изменения тока якоря, для быстрого преодоления задержки регулирования магнитного потока добавочных полюсов, вызванной принципиальной невозможностью скачком изме нить энергию магнитного поля, а также действием вихревых токов в массивных частях магнитопровода, величину корректирующего сигнала изменяют в функции скорости изменения тока якоря. Если, высокая скорость изменения тока якоря или насыщение элементов магнитной цепи, по которой замыкается магнитный поток добавочных полюсов сделают недостаточным сигнал, служащий для корректировки магнитного потока добавочных полюсов, то в зависимости от величины превышения над допустимым уровнем измеренного напряжения между точками на коллекторе, упомянутыми выше, огра ничивают величину тока якорной цепи

Пример осуществления предложенного способа будет понятен из дальнейшего описания работы устройства, предназначенного только для осуществления данного способа.

На чертеже изображено описываемое устройство.

На коллекторе якоря 1 электродвигателя постоянного тока установлены основные рабочие щетки 2 и пополнитесь но измерительные щетки 3, причем ось щеток 3 отстоит от оси щеток 2 на расстоянии не превыщающем двух - трех

t коллекторных делений. К щеткам 2 последовательно с осиовнойобмоткой 4 добавочных полюсов и входом датчика 5 тока якоря подключен выход вентильного преобразователя 6. Параллельно выходу преобразователя 6 подключен вход датчика 7 напряжения на якоре. Ко входу преобразователя 6 присоединен выход регулятора

8 тока якоря, ко входу которого присоединены выход- регулятора 9 скорости, датчик 5 тока якоря, один из входов пе

705632

25 где

7 ременного тока диодного моста 10 и анод стабилитрона 11. Катод стабилитрона 11 соединен с катодом стабилитрона

12„анод которого соединен со вторым входом переменного тока диодного мос;» та 10, выходом блока задания 13 входом регулятора 9, Ьыходом аналогового

i датчика 14 частоты вращения и первым входом датчика 15 ЭДС электродвигателя, к выходам постоянного тока диодно- 10

ro моста 10 встречно подключен выход блока нелинейности 16. Один из входных зажимов блока нелинейности присоединен к одной из дополнительных щеток 3 и к одному из выводов резистора 17, ко второму входному зажиму блока 16 присоединены вторая измерительная щетка 3, один из входных зажимов быстродействуюmего усилителя мощности 18 и один из входов переменного тока диодного моста 2О

19, второй вывод переменного тока которого присоединен к обшей точке резисторов 17 и 20, второй конец резистора

20 присоединен ко второму зажиму вхсда усилителя 18, а к выходу усилителя

18 присоединена дополнительная корректирующая обмотка 21 добавочных полюсов.

К отрщ ательному выводу выхода днодного моста 19 нрисоединен коллектор транзистора 22. К положительному вывоц- ЗО выхода диодного моста 19 присоединены, эмиттер транзистора 22, положительный вывод стабилизированного источника 23, отрицательный зажим вывода блока нелинейности 24, один иэ выводов резистора 25, другой вывод которого вместе с положительным выводом блока нелиней- ности 24 и одним из выводов резистора

26 присоединены к базе транзистора 22, 4О а второй зажим резистора 26 присоединен к отрицательному зажиму источника

23. Между встречно включенными выво» дами датчика 7 напряжения и датчика

15 ЗДС включен вход блока 24, ко вто45 рому зажиму входа датчика l 5 присоединен выход датчика 27 магнитного потока главных полюсов

Схема работает следующим образом.

При остановленном электродвигателе сит -,50 нал на выходе блока задания 13 равен нулю. Поэтому равен нулю сигнал на выходе регуляторов 9 и 8 и преобразователя 6, а также между основными щетками 2 и между измерительными щетками

3. При этом равны нулю напряжения на выходе усилителя 18, ток обмоток 4 и

21, напряжение на выходе блока 24. Напряжение на выходе блока 16 максимально.

При скачкообразном изменении напряжения на выходе блока задания 13 происходит быстрое или скачкообразное (в зависимости от внутренней структуры регулятора скорости 9 йзменение напряжения на его выходе. Величина скачка ограни.чивается только при открывании стабилитронов 11, и 12 так как напряжение обратной связи rro скорости, снимаемое с выхода датчика 14 равно нулю. Разность потенциалов между щетками 3 до протекания тока по якорной цепи равна нулю, так как в этом ражиме реакция якоря отсутствует и щетка находится на физической нейтрали. При отсутствии напряжения на входе блока нелинейности

16 напряжение на его выходе, приложенное к диодному мосту 10, больше напряжения открывания стабилитронов 11 и

12. Под действием напряжения, появляющегося на входе регулятора тока 8, растет напряжение на входе вентильпого ппеобраэователя 6 и напряжение, приложен ное к коллектору двигателя 1 и входу датчика напряжения 7. Возникающий ток вызывает появление напряжения на выходе датчика 5, что приводит к ограничению сигнала на выходе регулятора 8.

Протекание тока по якорной цепи в особенности при быстром изменении его амплитуды вызывает появление в коммутируемой секции обмотки якоря, несбалаь"сированной вследствие действия добавочных полюсов ЭДС, т.е, секция как бы смещается с физической нейтрали, возникает повышенное искрение, что в свою очередь приводит к повышенному износу коллектора при длительном воздействии и к возможности возникновения кругового огня, если повышенное искрение сочетается с высоким уровнем межламельного напряжения..

Величина нескомпенсированной ЗДС секции, измеряемой при помощи щеток 3, определяется следующим соотношением

++3 - д, 5 ДП (1)

83+ - угловая частота вращения;

К - коэффициент пропорциональности, определяемый параметрами электродвигателя; ф - суммарный лоток рассеяния реакции коммутируемой секции, ф — поток добавочных полюсов.

Коммутация является практически безискровой, если величина б меньше падения напряжения в контактной паре щет705632 l0 с увеличением тока коллектора 1 и скоа- рости его изменения. ка - коллектор, т.е, e,> 1-:2 В. Поэтому, когда Щ мало, то С> при любых зн чениях тока якоря не достигает опасной величины. Однако и в этом режиме напряжение 8 по цепи через резисторы 17

5 и 20 воздействует на вход усилителя

18, вызывая тем самым ток в обмотках

21, что в свою очередь, приводит к изФ менению потока добавочных полюсов, что-. бы уменьшить величину t . Вследствие 10 физической невозможностй скачком изменить энергию магнитного поля добавочных полюсов и возникновения вихревых токов в массивных частях магнитопровода при переменной величине тока якоря магнитный поток добавочных полюсов отстает от изменений тока. Для частичной компенсации этого явления (полная компенсация принципиально невозможна) используется следующая цепь. Часть сиг20 нала с выхода датчика 7, сравнивается с сигналом gemma 15 ЭДС. На вхопе блока 24 образуется сигнал, равный

КОй КЕ "-g(Q -Е = (j+Q ) (2) 25

Ав

Блок 16 выделяет модуль этой разности и использует ее для изменения режима

l работы транзистора 22.

Вследствие относительно высокой ско30 рости нарастания тока в вентильных э лектроприводах L — — значительно боль

Qt ше, чем R 1 „. Поэтому режим работы транзистора 22 корректируется в первую очередь в функции скорости нарастания

35 тока.

В режиме с малым относительно стабильным током якоря режим транзистора определяется напряжением источнике 23 и соотношением величин сопротивлений

40 резисторов 25 и 26. В этом случае переход эмиттер-коллектор транзистора

22 имеет наименьшее сопротивление, через диодно-мостовую схему 19 ссуществляется частичное шунтирование входе уси45 лителя 18 и напряжение, подводимое ко входу усилителя 18, определяется соотношением ц - ©Рзн д. зк„+.„ (3) 50 оц =-с. (4)

Напряжение на выходе усилителя 18 вы- ше и тем достигается увеличение скоро ти нарастания потока добавочных полюсов и минимально, 84

При значительной величине t, — +%i сН

При значительной скорости изменения тока якоря магнитный поток добавочного полюса не успевает полностью повторять изменения тоКа якоря. Кроме того, при этом в коммутируемой секции наводится некомпенсируемая трансформа» торная ЭДС. Компенсация этого запаздывания полезного потока добавочных полюсов потребует черезмерно большой (бесконечно большой при полной компенсации} мощности усилителя 18. Такая же мощность усилителя 18 потребуется для компенсации насыщения магнитоировода при больших значениях тока якоря.

Поскольку целесообразная мощность этого усилителя ограничена, то в этих режимах в действие вступает цепь, образованная щетками 3, 8, блоком 16 нелинейности и диодно-мостовой схемой.

В случае, если корректировка магнитно- . го потока добавочного полюса, ocyateствляемая при помощи обмотки 21, не дает необходимого улучшения коммутации, н разность потенциалов между щетками

3 становится недопустимо большой, то уменьшается напряжение на выходе блока 16 нелинейности, s результате чего ограничивается напряжение ча выходе регулятора 9 и, следовательно, величина и скорость изменения токе якоря.

Б результате применения данного изобретения в электропрйводах, скорость электродвигателей которых регулируется

КаК изменением напряжения на якоре, тек и изменением магнитного потока в большом диапазоне, а нагрузка носит Плутельный характер с возможными значительными толчками, повышается надежность электропривода и повышается использование нагрузочных возможностей электродвигателя путем постоянного ограничения уровня искрения на коллекторе. Это ограничение обеспечивается корректировкой магнитного потока добавочных полюсов в функции величины межпамельного напряжения, форсировкой корректировки магнитного потока добавочных полюсов в функции скорости изменения тока якоря и быстро-. действующим ограничением величинь: сигнала на выходе регулятора тока яко-, ря, т.е. величины и скорости изменения тока якоря, при превышении искрением под основными рабочими щетками допус тимой величины.

11 705632

Формула изобретения, с

1. Способ управления электроприводом постоянного тока, включающий измерение межламельного напряжения электродвигателя и регулирование скорости изменения тока якоря, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения надежности электропривода и повышения использования нагрузочных возможнос- 10 тей электродвигателя при работе с большим диапазоном изменения скорости, измеряют напряжение между точками кол- лектора, расположенными не далее 2»3 коллекторных делений от сети основных рабочих щеток, определяют скорость изменения тока якоря и корректируют магнитный поток добавочных полюсов электродвигателя в функции измеренных величин, а при превьццеиии величиной межламельного напряжения допустимого значения ограничивают величину тока якоря.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее электродвигатель 25 коллектор которого снабжен основными рабочимк и дополнительными измерительными щетками, вентильный преобразователь, подключенный своим выходом к соединенным параллельно основным рабочим щеткам, последовательно включенЗО ные блок задания, регулятор частоты вращения, и цепь обратной связи которого включена диагональ переменного тока первого диодного моста, и регулятор таia якоря, ко входам которых соответственно подключены датчики частоты вращения и тока якоря, первый блок нелинейности, вход которого соединен с измерительными щетками, а выход — с диа40 гональю постоянного тока первого диодного моста, второй диодный мост, второй блок нелинейности, и датчик напряжения, отличающееся .тем, что добавочные полюса электродвигателя

12 набжены корректирующей обмоткой, присоединенной к выходу дополнительно введенного быстродействующего усилителя мощности, дополнительные измерительные щетки установлены симметрично по отношению к оси основных рабочих щеток на расстоянии, не превышающем трех коллекторных делений, в устройство также введены источник стабилизированного напряжения, транзистор, датчик ЭДС элек тродвигателя и четыре резистора, при этом первый зажим входа быстродействую

mего усилителя мощности подсоединен последовательно с двумя резястопами к одной из дополнительных измерительных щеток, второй зажим входа быстродействующего усилителя мощности подсоединен ко второй дополнительной измерительной щетке и одному из выводов переменного тока второго диодного моста, второй вывод переменного тока которого подключен к общей точке двух вышеупомянутых резисторов, а диагональ по» стоянного тока шунтирована эмиттерколлекторным переходом транзистора, база которого соединена с положительным выводом второго блока нелинейности и через обьединенные выводы двух других резисторов подкл чена к источнику стаби» лизированного напряжения, положительный выход которого подключен к эмиттеру транзистора и отрицательному выводу второго блока нелинейности, входы которого соединены с датчиком напряжения и датчиком ЭДС.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Японии ¹ 50-23721, к.л. 55А21, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР

¹ 400957, кл. Н 02 К 23/18, 1971.

3. Авторское свидетельство СССР

¹ 556547, кл. Н 02 Р 5/06, 1975

70563 2

Составитель В. Кузнецова

Редактор О. Волков Техред Э, Чужик Корректор В. Бутяга

Заказ 8050/61. . Тираж 857 . Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва,,Ж..З5,,Раушская наб., д. 4/6

Филиал ППП Патент", r, Ужгород, Рл, Проектная, 4