Устройство для измерения статического момента двигателя постоянного тока

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕЙИЯ к тов @мУ csepa aaiiersv (61) Дополнительное к авт, санд-ву (22) Заявлено 0902,01 (21) 3247180/24-07 м 958990. Coio3 Советских

Социалистических

Республик

В! ! ц, щ з

G 0l. R 31/34 с р заявки H9l (23) Прнорнтет -, Опубликовано15, 09. 826юллетень,ЙЯ 34

Гасударствениый комитет

С ССР по делаю изобретении и открытий

133) УДК 62,63т

i621.313.2»

»621е317 (088. 8) Дата опублик!ования описания Щ»982. °

С.М, Первунинсхий, A.Ï. Никиыин, В,.A. Орлов . (72) Авто}эы. (54) устрояство для иЗИерения стътическог„

ИОиентА дВирюеля пОстОяннОРО .ТМА! с

»

Изобретение относится и устройствам для косвенного измерения вели- чины статического. момента, двигателей постоянного тока большой-мощности., например двигателей главного при-. ..вода прокатного. стана. Устройство может быть использовано в автоыати эированных системах управленйя::.и контроля,!например, в: качестве датчика наличйя металла в валках прокатного стана, измерителя нагрузок на клеть прокатного .стана, а так же как автономное устройствс йэмерении статического момента двигателя постоян« ного тока. . »5

Вычисление статического момента в известньвс. Устройствам проиэводвтся по одному иэ соотношений

Ж4 ,, !- —.: а.а,,-, „!

RA

Моте.КЪФ39 Зт (ц 25 где Мат - статический момент»

К1 - масштабный коэффндиент»

U» - напряжение, подводимое к якорю двигателя;

-.ток якоря; . . ЗО

R< - сопротивление якорной цепи»».!

1;В - индукти»тность .обмотки яко ,. ря»

3 ....- -момент инерции механйэмов стана, заготовки и дв!игателя, приведенный к. валу двйгателя»

n - угловая..скорость двигателя»

Ф магнитйый поток, приходящийei на .один полюс» рн

Ку †:-. конструктивная йостоянная двиг!ателя

H - число активных проводников обмотки якоря» .

P. - :число пар полюсов;

t .- текуцее apbw» а. - число,пар параллельных ветвей обмотки якоря известно,устройство для измерения статического момеита..В этом устрой-" стве вычисление .статического момента: производится по соотношению (2) .

Магнитный поток нэ вряется с, помовэью . датчиков холла, размешенных,в воздушном зазоре двигателя под главным полюсом. Ускорение — .получют .диф+ . дл аt ференцированием сигнала с датчика скорости..ток якоря измеряют с помощью "датчика тока. Все три укаэанным

958990 сигнала ФЭ„ фильтруются с помощью дп фильтров, выполненных на операционных усилителях и подаются на входы вычислительного устройства. С помощью потенциометров в вычислительное 5 устройство вводятся конструктивная постоянная двигателя и величины моментов инерции механизмов стана и двигателя, приведенные к валу двига-

)теля, а также масштабные коэффициен- 1lj ты f13.

Недостатками этого устройства являются низкая точность измерения статического момента, а также сложность монтажа и эксплуатации вследствие наличия в устройстве датчиков Холла.

Йапряжение, снимаемое с датчиков

Холла зависит от температуры окружающей .среды. При работе двигателя температура в воздушном зазоре может зй меняться в значительных пределах, особенно при-.неравномерной частоте включения-выключения, характерной для работы прокатного двигателя, и это приводит к погрешности в определении величины потока, а следовательно, и значения статического момента.

Измерение потока с помощью датчиков Холла требует сложной и длительной тарировки канала измерения потока, так как невозможно заранее рассчитывать место в воздушном зазо-: ре двигателя, в котором напряжение

Холла пропорционально потоку и не зависит от полей рассеивания и от раз- личных местных насыщений полюсного З5 . железа. Установка датчиков Холла на двигатели, находящиеся в эксплуатации,: связана с астановом двигате> ля и его полной разборкой. . Указанные недостатки частично 40 устраняются в другом известном устройстве.

В этом устройстве значение статического момента двигателя вычисляется.по соотношению (2). Измерение тока45 якоря и вычисление ускорения производится аналогично описанному. Для вычисления величины магнитного потока на главном полюсе двигателя укладывается измерителЬная обмотка. Вели- чина потока вычисляется интегрирова-, нием сигнала измерительной обмотки на некотором интервале времени (2).

Однако у известного устройства . .. недостаточная точность измерения статического момента вследствие накопления систематической ошибки при интегрировании, ограниченная область применения иэ- за ограничения допустимого времени работы двигателя в режиме с ослаблением поля, услож- 60 нение конструкции устройства за счет введения дополнительного устройства для компенсации медленных изменений

,потока. Наличие помех в цепях измерения потока, неизбежных при работе мощных двигателей, а также. дрейф нулей усилителей приводят к накоплению систематической ошибки, причем эта ошибка пропорциональна длительности интервала интегрирования.

При коротких интервалах интегрирования не успевает сглаживаться случайная составляющая сигнала и в вычисленном значении момента увеличивается.случайная ошибка.

В измерительной обмотке индуцируется напряжение, проПорциональное изменению потока, а не его величине.

Величина потока вычисляется интегрированием этого напряжения, медленные изменения потока, вызванные медленными изменениями тока возбуждения, обусловленными изменением температуры, дрейфом тиристорных преобразователей и т.д., интегратором не учитываются. Для учета этих изменений ,необходим дополнительный блок, коррек.тйрующий вычисленное значение потока.

Описываемый блок работоспособен в условиях, когда длительность работы двигателя с ослаблением потока не больше длительности интервала интегрирования (обычно длительность интервала интегрирования устанавливается не более единиц секунд во избежание накопления систематической ошибки).

Это условие выполняется лишь в некоторых частных случаях. На сортовых и тонколистовых станах режим работы двигателя с ослаблением потока составляет десятки секунд. Значение момента в рассматриваемом устройст.ве получается с задержкой 0,3-0,5 с что часто не допустимо (например в задачах синхронизации скоростей глазных приводов при совместной прокатке в нескольких клетях, анализе переходных процессов и т.д.) Известно устройство, в котором значение статического момента вычисляется по соотношению (1).

Каналы измерения тока якоря и ускорения вйполнены аналогично описанным устройствам. Канал измерения потока состоит из датчика напряжения на якоре, и усилителя, вычисляющего разность .0 -Зя йя. Величина потока .вычисляется по величинам сигналов датчика тока якоря, датчика скорости, и напряжения на якоре. Фильтрация сигналов производится с помощью фильтров, установленных в каналах измерения каждого сигнала. Вычисление потока осуществляется с помощью аналогового вычислительного устройства по соотношению

I Оя- я Ня л

Величина статическоГо момента вЫчисляется C ..помощью вычислительного устройства, включающего блоки умнох<ения-деления и операционный усили5 - 958990 6 тель, Величиной L d3q / dq пренебрегают, значение К1 вводится в аналоговое вычислительное устройство с поггощью потенциометра при.его наладке г.33.

На малых скоростях:работы двигателя значение знаменателя выражения (.3) более чем на порядок меньше остальных членов выражения, что прйводит к большим вычислительным погрешностям. При погрешности вычислений + 3,5% и скорости, составляющей - . 10

20% от номинальной, погрешность в величине момента может достигать

20-33%. Наличие шумовых составляющих во входных сигналах приводит к.дополнительным погрешностям. . 15

Кроме того, недостатком этого устройства (при измерении скорости двигателя наиболее распространенным средством измерения — тахогенератором) является. низкая точность изме- рения статического момента из-за особенностей работы тахогенератора .на малых скоростях. ga малой скорости точность соответствия величины сигнала датчика скорости (тахогене« ратора) истинному значению скорости ниже, чем при скоростях, близких к номинальной, кроме того на малых скоростях характеристика техогенератора существенно нелинейна. В режиме работы двигателя с частым реверсированием, характерном для обжимных и балочных станов, для работы двигателя с малыми скоростями сос тавляет значительную часть общего времени работы. . 35

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения статического. момента двигателя пос.— тоянного тока, содержащее канал изггерения магнитного потока, состо- 40 ящий иэ датчика тока возбуждения, цифрового фильтра и функционального преобразователя, канала измерения тока якоря с датчиком тока якоря и цифровым фильтром, канал измерения 45 ускорения, состоящий из датчика скорости, цифрового фильтра и блока. дифференцирования, блок умножения, один из входов которого соединен с выходом функционального преобразователя канала измерения магнитного потока., второй вход - C выходом.канала измерения тока якоря,,а выход блока умножения подключен к первому входу блока вычитания к второму входу которого подключен выход блока. дифференцирования канала измерения ускорения.

Сигйалы с .датчиков тока возбужцения и тока якоря каналов измерения магнитного потока двигателя и изме- 60 рения тока якоря, усиленные по мощности соответствующими усилителяМи, фильтруются фильтрами второго порядка. В зависимости от значения сигна ла тока возбуждения, поданного на 65 вход функционального преобразователя, с его выхода на вход блока умножения поступает сигнал, пропорциональный магнитному потоку двигателя, приходящемуся на один полюс двигателя °

Сигнал датчика тока якоря. также усиливается по мощности и фильтруется, причем регулировкой величины коэффициента усиления усилителя учитывается влияние значения конструктивной постоянной двигателя на величину измеряемого момента.

Сигналы с выходов каналов измерения магнитного. потока двигателя и тока якоря подаются на входы блЬка умножения, реализующего вычисления по первой части выражения (2), обеспечивая тем самым получение на выходе блока сигнала, пропорционального полному моменту двигателя.

В канале измерения ускорения сигна i.äàò÷èêà скорости дифференцируется блоком дифференцирования для получения значения ускорения. Значение момента инерции вводится .регулировкой коэффициента передачи блока дифференцирования. Таким образом на выходе блока дифференцирования, служащим выходом канала измерения ускорения, получается значение динамического.момента двигателя. Блок вычитания завершает .вычисление статического момента двигателя, вычитая из значения полного момента двигателя, поступающего с выхода блока умножения, величину динамического момента, поступающего с выхода блока дифференцирования. Значение статического момента данным устройством определяется более точно, чем описанными выше аналогичными, поскольку в вычислениях не участвуют значения скорости, приводящей к вычислительный погрешностям на малых значениях скорости. Кроме того, магнитный поток. двигателя вычисляется по току возбуждения., что устраняет необходимость в дополнительных датчиках потока (датчиков Холла, измерительных обмотках) вносящих дополнительные ошибки 14)..

Недостатком указанного -устройства является пониженная точность измерения величины статического момента иээа неодинайовых фазовых сдвигов в сигналах, подаваемых на входы блоков умножения и вычитания. Неодинаковые фазовые сдвиги сигналов обусловлены различными постоянными времени каналов измерения.

Например, если датчики токов якоря и возбуждения можно считать практически безинерционными устройствами, то датчик скорости (обычно тахогенератор) в канале измерения ускорения имеет постоянную времени в несколько миллисекунд, и это уже определяет

958990

I сдвиг фаэ сигналов. Фильтры, включенные в каналы измерения, также вносят различив э величину фаэоных сдвигов вследствие различия их частотных характеристик.

Обычные фильтры низкой частоты (без запоминающего устройства) позволяют регулировать задержку сигнала,. но при этом меняются и характеристики фильтра (коэффициент передачи,. форма,чаатотйай характеристики и т.д.)10 поэтому при иайичии трах Каналов из° . мереиия, получающих информацию от независимый .(н различным по своим свойствам) датчикоВ, практически невозможно настроить фильтры так,, 15 чтобы они обладали требуемыми характеристиками, определяемыми свойствами сигналов, и помех и одинаковыми временами задержек.

?О

Таким образом, на, входы блока умножения и блока вычитания, вычисляю щих значения статического момента дэйгатвля, поступают,.сигналы, значения,которых соответствуют различным моментам времени, что искажает величину вычисленного:значения момен- та двигателя. Кроме того,, возможно различие сдвигов; фаэ в сигналах, поступающих на блоки умножения и ны- 30 читания с выходов укаэанных каналов вследствие сдвигов Фаз,: присущих входной информации для каждого канала, поскольку переходные процессы в системе управления двигателем различны s разных схемах управления и.дают различные, трудно учитываемые сдвиги Фаз в каждом канале.

Например, при питании якорной цепи двигателя ат,генератора, а обмотки возбуждения от. тиристорйого преобра- .40 зователя. Особенно сказывается элиянив Фазовых сдвигов иа измеренное эначвнйе статического момента э режимах разгона и торможения двигателя. Последнее обстоятельство делает 45 невозможным применение указанного устройства, например, для задач синхронизации двигателей главных приводов клетей при совместной прокатке легких. профилей в режимах 50 разгона. и торможения. Между тем на рввврсивных станах (например, универоальннх балочных) прокатка в режи мах .разгона-.торможения мажет составлять значительную часть цикла (до

70% на коротких балках). По тем же причинам рассматриваемое устройство

" совершенна непригодно для задач исследования. переходных процессов на стане, весьма важным для индентификации объектов управления.

Цель изобретения - повышение.точности измерения всличнны статического момента двигателя постоянного така эа счет более точного его определения на нремя переходных процессов. 65

Поставленная цель достигается тем, чта в каждый из каналов введены блок памятн,и аналого-цифровой преобразо-. ватель, вход каждого аналога-цифрового преобразователя соединен с выходам датчика соответствующего канала, а выход..- с входом цифровога фильтра, ныход которого подключен к входу, блока памяти, причем выход блока памяти канала измерения магнитного, потока двигателя соединен в входам,.функцианальнога,преобразователя этога же ка-, нала, выХод блока памяти. канала изме-, рения-тока. якоря соединен с вторым входом, УМножения, а выход блока памяти канала измервйия ускорения соеди-. нен с входом, блока дифференцирования этого жв канала.

На, чертеже приведена блок-схема . предлагаемого, устройства.

Устройство содержит канал измерения патока. 1„ включающий:последовательно соедийенныв датчик тока возбуждения 2, аналого-цифровой преоб:разонатель- 3, цифровой фильтр 4, блок памятй 5 и функциональный преобразователь.6, выход фуикциональнога преобразователя 6. соединен с входом блаха умножения 7; канала измерения така якоря 8, включающий последовательно савдийенные датчик тока якоря 9., аналого-цифровой преобразова..тель 10,:цифровой фильтр 11, блок памяти 12, выход блока памяти. 12 соединен с, другим входам блока .Умножения 7 ° Манал измерения. Ускорения 13, включающий последовательна соединенные датчйк.скорости 14, аналого-цифровай преобразователь 15, цифровой фильтр 16,.блок памяти 17,.блок диф-, ференцирования 18, выход блока дифференцирования 18 соединен с входом блаха вычитания 19;.блок умножения

7, эхадн которого соединены с ныхадамй функционального преобразователя 6: и блока. памяти 12, а .выход с другим входом блока вычитания; блок вычитания 19, входы которого соединены с выходом блока умножения 7 и блока дифференцирования 18, а выход с вы ходной шиной 20, к которой могут быть подсоединены блок индикации, или устройство управлением двигателем соответствующего механизма (на чертеже не показаны), .Сигналы, пропорциональные току возбуждения и таку якоря, снимаются с датчика тока возбуждения 2 и тока якоря,9 соответственно, сигналы усйливаются, гальваиически развязываются и преобразуются в цифровую форму аналого-цифровыми преобразователями 3 и 10.,Сигнал, пропорцио- . нальный скорости, снимаемый с датчика скорости 14 подается на аналогоцифровой преобразователь 15. Сигналы всех трех каналов Фильтруются цифровыми фильтрами 4, 11 и 16, соединен958990

10 теля изменяются за указанное время на величины, составляющие не более

1% от их номинальных значений. Следовательно и значение статического момента, вычисленное по выражению (2) с использованием величин, отличающихся от их истинных значений не более 1%, отличается от своего истинного значения не более чем на 2%.

Экономический эффект.от применения предлагаемого устройства дости- гается за счет повышения. качества проката вследствие возможности синхронизации скоростей валков в режиме разгона и торможения, при использо1вании устройства в системах синхронизации скоростей за счет предотвра1 щения аварийных ситуаций во время захвата металла валками, а также за счет совершенствования программ прокатки, проводимого по идентифи-. цированному с помощью устройства закону распределения нагрузок на оборудование.

Введение в устройство аналогоцифровых преобразователей (AIIII), входы которых соединены с выходами датчиков соответствующих каналов при выполнении фильтров цифровыми, причем. входы цифровых фильтров.связаны с выходами АЦП, позволяет на выходе фильтра каждого канала, в отличие от прототипа, получать значения величин в цифровом виде. Введение блоков памяти в каждый канал, входы которых соответственно соединены с выходами цифровых фильтров, позволяет полученную информацию хранить в каждом блоке памяти в течение интервала, необходимого для синхронизации сигналов во всех трех каналах, причем этот интервал должет быть не меньшим минимальной разности фаэ сигналов в любых каналах. Настройка блоков памяти на индивидуальную задержку сигнала в каждом канале предполагается ручная, по результатам исследования конкретных условий работы. двигателя.,Таким образом, выходные сигналы блоков памяти s каждом канале исключают фазовые сдвиги, независимо от причины их возникновения и воэможности их. предварительной оценки. Выравнивание фаз сигналов во всех каналах измерения при последующем умножении и вычитаний значений сигналов позволяет получить на выходе устройства значение величины статического,момента двигателя, не искаженное опиааннымй погрешностями. и, поэтому более точные, чем при измерении посредством устройства по прототипу. форМула изобретения

Устройство для измерения статического момента двигателя постоянно ными с блоками памяти 5, 12 и 17 °

Цифровые фильтры 4, 11 и 16 каждого канала обрабатывают. сигналы в соответствие с их спектром и характеристиками поь.ех, индивидуальных для каждого канала. Выходные сигналы фильтров 4, 11 и 16 в цифровом виде запоминаются в блоках памяти 5, 12 и 17 на протяжении интервала времени, определяемого максимально возможным фазовым сдвиго; в каналах. Этот ин- I0 тервал определяется при наладке при- бора на конкретном объекте. По заполнению блока памяти 5, 12. и 17 с поступлением каждого следующего отсчета с фильтра 4, 11 и 16, запомнен- 5 ная информация сдвигается на одно слово таким образом, что первое в блоке памяти 5, 12 и 17 слово выталкивается иэ памяти, а последняя ячейка освобождается для вновь поступив шей информации.

Отфильтрованный и задержанный сигнал, пропорциональный току возбуждения, преобразуется функциональным преобразователем 6 в сигнал, пропррциональный магнитному потоку Ф, приходящемуся на адин полюс. Блок умножения реализует вычисление по ,первой части выражения (1) К1ф,,т.е. значение полного момента.

Значение конструктивной постоянной двигателя вводится регулированием коэффициента передачи цифрового фильтра 11. Отфильтрованный сигнал скорости поступает на вход блока диф-. ференцирования 18, где вычисляется З5

dn производная скорости —, при этом коэффициент передачи блока дифференцирования 18 выбирается пропорциональным моменту инерции Э таким образом, 40 на выходе блока дифференцирования 18 получается сигнал, пропорциональный

dn динамическому моменту 3 в . Блоком

dt вычитания 19 .завершается вычисление статического момента путем .вычитания динамического момента из полного мо мента двигател я.

Таким образом, предлагаемая схема построения каналов устройства поз- g0 воляет свести разность в фазовых сдвигах сигналов до величины одного рабочего такта входящих в устрой.ство цифровых блоков. Современные цифровые элементы позволяют сделать величину такта пренебрежимо малой по сравнению с допустимой .величиной фазового сдвига..Так .серийно выпускаемые интегральные схемы позволяют работать при длительности такта в единице микросекунд, тогда как допустимые значения фазовых сдвигов

100-150 мкс, так,как для рассматриваемых двигателей большой мощности сигналы, участвующие в вычислении значения статического момента двига-. 65

958990

BHHMllH Заказ 7009/61 Тираж 717 Подписное

Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðîä, ул.Проектная,4 го тока, содержащее канал измерения магнитного потока, состоящее из датчика тока возбуждения, цифрового фильтра и функционального преобразователя, канал измерения тока якоря с датчиком тока якоря и цифровым фильтром, канал измерения ускорения, состоящий из датчика скорости, цифрового фильтра и блока дефференцирования, блок умножения, один из входов которого соединен с выходом функционального преобразователя канала измерения магнитного потока, второй вход — с выходом канала измерения тока якоря, а выход, блока умножения подключен к первому входу блока вычитания, к второму входу которого подсоединен выход блока дифференци.рования канала измерения ускорения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения величины статического момента двигателя постоянного тока, в каждый из каналов введены блок памяти и аналого-цифровой преобразователь, вход каждого аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом датчика соответствующего канала, а выход; — с входом цифрового фильтра, выход которого подключен к входу блока памяти, причем выход блока памяти канала измерения магнитного потока двигателя соединен с входом функциональногб преобразователя этого же каI нала, выход блока памяти канала измерения тока якоря соединен с другим входом блока умножения, а выход блока памяти канала измерения ускорения соединен с входом блока дифференцирования этого же. канала.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Проске М. Определение вращаю10 щегося момента на шпинделе блюмингаслябинга при помощи электронного вычислительного устройства.

"Stahl und Eisen" (" Черные металлы")

1963, 83, 9 12 стр. 16-21.

2.. Гайдеприм Ю., Тильэке Ф. Измерение момента прокатки при помощи аналоговой вычислительной машины.—

"Stahlund Eisen"("×åðíûå металлы")

1967, 87, Р 24., стр. 20-26.

3. бекерского К.К. и Семенюка С.й.

Вычислйтельное устройство для определения статического момента двигателя главного привода прокатного стана.-"Механизация и автоматизация уп>> равления" 1966, Р 6 с. 26-28.

4. Буксбаум A., Плэтрих Г. Регулирование минимального натяжения в непрерывных прокатных станах. — Экспресс-информация. Автоматизированный электропривод. Электротехнология.

Электроснабжение. Силовая преобразовательная техника, 1977, 9 117 7 сс . 1-13, рис. 5.