Устройство для регулирования тока якоря электродвигателя

Устройство для регулирования тока якоря электродвигателя

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДВТВЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт, саид-ву (22) Заявлено 14.09.76(21) 2403410/24-07 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 05,04,79.Бюллетень %13

««656169

Сеоз Советспми

Социалистн носки»

Ресяубпмя (51) М. Кл.

Н 02 Р 5/00

Н 02 P 5/06

Гесударетаииаб арютрт сеср в дилан изебретеей я ртиритий (53) УДК 621.316, .718,5(088.8) Дата опубликования описания 0g,04,7р (72) Авторы изобретения

М. В. Мительман, В. П. Воинов, Л, И. Крикун и Ю В. Свечкарев (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ГОКА

ЯКОРЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Изобретение касается управления электроприводом постоянного тока и может быть использовано в быстродействующих электроприводах с оптимальным управлением, в которых длительность электромагнитных и электромеханических переходных процессов играет решающую

PoJIh»

Известно устройство для регулирования, осуществляющее изменение настройки при отклонении параметров «онтура регулирования от заданных P).

Это устройство прн помощи системы автоматического регулирования с подчяненным регулированием решает задачу у р ения бьектом с переме тз раметрами, Для этого указанное устройство содержит эталонную модель скорректированного регулятора, корректирующий последовательный фильтр, настроенный на средние параметры объекта, анализатор отклонения параметров объекта регулирования и узел перестройки параметров регулятора.

Основной принцип, заложенный в этом устройстве, заключается в раздельной перестройке всех параметров регулятора при изменении параметров обьекта для нх взаимного соответствия»

Недостатком такого устройства явля ется сложность, так как его реализация требует введения семи блоков интегрирования, шести блоков умножения, двух блоков деления н двух блоков суммирования, Кроме того, его недостатком является отсутствие в схеме ограничения величины регулируемого параметра и скорости его изменения.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности н достигаемому результату является устройство, которое содержит электродвигатель постоянного тока, регулируемый вентнльный преобразователь, регулятор тока якоря, выполненный в виде операционного усилителя, охваченного цепью отрицательной обратной связи, состоящей нз последовательно включенных резистора и конденсатора, 656169 датчик тока якоря, узел сравнения заданного и фактического значения тока и фильтр, включенный между узлом сравнения и входом операционного усилителя, а также диодную мостовую схему с источником опорного напряжения, служащую для ограничения скорости нарастания тока и включенную своими входами переменного тока между входом и выходом операционного усилителя (2f.

Это устройство имеет общий недостаток всех контуров систем подчиненного регулирования (кроме самого верхнего по иерархическому уровню), а именно введение ограничения регулируемой величины путем ограничения уровня сигнала на выходе регулятора наружного контура.

Это введение ограничения по току путем ограничения сигнала на выходе регулято.ра скорости вызывает отклонение от оптимального переходного процесса регулирования скорости при изменении условий коммутации.

В известном устройстве параметры регулирования тока якоря выбраны, исходя из двух возможных вариантов настройки, « переходного (модульного) оптимума и симметричного. оптимума, При переходном оптимуме скорость нарастания тока невелика, что обусловливает неполное использование коммутационных свойств электродвигателя по параметру - — . При настройке на сим01 Я метричный оптимум величина перерегулирования по току якоря электродвигателя велика (до 41%). Это ведет к недоиспользованию коммутационных свойств электродвигателя по величине тока якоря в последукаций период, так как максимум тока не должен превышать допустимого по коммутации значения. При этом в контур регулирования тока. вносится дополнительное интегри- рующее звено, так как передаточная.

1+о Г функция регулятора тока % (p)= рт pТ где T = tl ТЯ, а величина tl определяется характером требуемой оптимизации переходного процесса.

Однако при возможных в процессе. работы изменениях величины IR требуемая оптимизация нарушается.

Кроме того, в известном устройстве ие предусмотрены изменения ограничений величины тока якоря в соответствии с законами коммутации, а также воэможность уменьшения величины тока якоря при перегреве его обмоток и повышения интенсивности работы и использования воэможности электродвигателя при холодных обмотках.

3 Целью изобретения является повышение стабильности токовых диаграмм в динамических режимах при более полном использовании возможности электродвигателя

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержашее электродвигатель, постоянного тока, регулируемый вентильный преобразователь, регулятор тока якоря и датчик тока

И якоря, введены эталонное апериодическое звено с обратными связями Во коммутационным и динамическим параметрам и управляюший элемент, включенный между выходом и входом регулятора тока, 20 причем вход эталонного апериодического звена подсоединен ко входу регулятора тока якоря, а выход упомянутого звена подключен к регулирующему входу управИ ляюшего элемента, к которому через дополнительно введенный инвертирующий усилитель подключен датчик тока якоря.

В цепа обратной связи эталонного апериодического звена включен входами переменного тока диодный мост, к выходам постоянного тока которого встречно подключен выход суммирующего усилителя, ко входам которого параллельно присоедииены дополнительный датчик модуля напряжения на якоре через дополнительный первый блок нелинейности — датчик тока возбуждения, а также соединенный последовательно со стабилитроном дополнительный датчик температуры якорных обмоток. Управляющий элемент выполнен в виде блока умножения, один иэ входов которого является регулирующим. Управляющий элемент выполнен в виде диодно:мостовой схемы с транзистором, причем к выходам постоянного тока диодно-мос товой схемы подключен переход эмиттерколлектор транзистора, переход эмиттер-.

> база которого служит регулируюшим входом управляющего элемента. Для изменения постоянной времени эталонного апериодического звена между его входом и выходом включены входы переменного тока второго диодного моста, к выходам постоянного тока которого присоединен переход эмиттер-коллектор дополнительного транзистора, а к переходу эмиттербаза последнего подключен дополнитель ный суммирующий элемент, ко входу которого параллельно подключены датчик

656169 модуля напряжения на якоре и выход вто-. рого дополнительного блока нелинейности, ко входу которого подключен выход датчика тока возбуждения. Ко входу дополнительного суммирующего элемента последовательно с пороговым элементом подключен датчик скорости нарастания ускорения, Сравнение величины, пропорциональной току якоря, с напряжением эталонного звена позволяет уменьшить влияние изменений параметров контура регулирования якоря от нагрева и изменения магнитного потока.

Обратные связи эталонного звена по току возбуждения и напряжению на якоре ограничивают предельную величину напряжения эталонного звена в функции этих величин, Величина напряжения эталонного звена, а следовательно, и величина тока якоря уменьшается также при перегревах обмотки якоря вследствие действия датчика температуры обмоток

Выполнение управляющего элемента в виде блока умножения, ко входу которого подключены встречно включенные выходы эталонного звена и инвертирующего усилителя и второй вход которого подключен к выходу регулятора тока якоря, а выход - ко входу последнего позволяет при напряжении на выходе эталонного звена, большем напряжения на выходе инвертирующего усилителя (т.е. пря токе якорной цепи, .не достигшем тока задания) иметь положительную обратную связь между выходом и входом регулятора тока якоря и получать благодаря этэму максимальное напряжение на его выходе, так как коэффициент усиления его при этом возрастает, а при достижении током величины задания обратная связь становится отрицательной, напряжение регулятора тока якоря уменьшается, и величина тока ограничивается. В результате величина тока якоря строго следует заданию на выходе эталонного звена

Когда в качестве управляюшего элемента используется диодно-мостовая схема, количество элементов, участвую щих в управлении, меньше, но коэффициент усиления регулятора тока меняется от нуля до некоторой конечной величины, меньшей, чем при использовании блока умножения.

Поскольку схема не имеет интегрируюших звеньев, ее быстродействие увеличивается. Шунтирование эталонного звена входами переменного тока диодного моста, к выходам постоянного тока которого подсоединен транзистор, используемый в качестве регулируемого сопротивления, для чего к его переходу

% база-эмиттер через суммируюший элемент присоединены обратные связи по току возбуждения и напряжению на якоре, обеспечивает изменение постоянной времени эталонного звена в функции основных параметров, определяюших коммутацию, что, в свою очередь, позволяет регулировать скорость нарастания тока якоря электродвигателя.

Таким же образом ограничивается скорость нарастания ускорения Включение на вход суммирукицего элемента датчика скорости нарастания ускорения (например, рабочего o ràíà на тросовой подhecxe - ковша экскаватора-драглайна) @ дает возможность избежать черезмерной скорости нарастания тока и больших динамических нагрузок на электродвигатель и механизм в тяжелых режимах и более полно использовать возможности электро двигателя в остальных режимах.

На фиг. 1 изображено устройство для регулирования тока якоря электродвигателя: на фиг. 2 - вариант выполнения управлявшего элемента в виде диодномостовой схемы.

Устройство содержит якорь 1 электродвигателя, регулируемый преобразователь

2, регулятор 3 тбка якоря, эталонное апериодическое звено 4, управляющий

31

1 элемент 5, а также датчик 6 тока якоря, датчик 7 модуля напряжения на якоре, датчик 8 тока возбуждения, датчик

9 температуры якорных обмоток вклкьченный последовательно с пороговым

46 элементом, например со стабилнтроном

10, датчик 11 скорости нарастания ускорения, включенный последовательно с пороговым элементом, например стабилитроном - 12» Якорь 1 электродвига45 теля присоединен с регулируемому преобразователю 2 последовательно с датчиком 6 тока якоря.

Ко входу преобразователя 2 присое56 динен выход регулятора 3 тока якоря и один из входов (управляюший) управляющего элемента 5, к другому из входов (регулирующему) его присоединена обшая точка резисторов 13 и 14 Второй конец резистора 13 соединен с выходом эталонного апериодического звена 4, вход которого через резистор 15 включен на вход регулятора тока якоря. На входе регулятора 3 тока включен резистор 16..

656169

На фиг. 2, где представлен вариант вицолнения управляющего элемента 5, изображена диодно-мостовая схема 25, подключенная входами переменного тока между выходом и входом регулятора 3 тока якоря. К выходам постоянного тэка диодно-мостовой схемы 25 подключен переход эмиттер-коллектор транзистора

26, а его переход эмиттер-база служит регулирующим входом управляющего элемента 5. К переходу эмиттер-баэв транзистора 26 через диодный мост 27 подсоединен выход потенциального раз-, делителя 28. Входы переменного тока диодного моста 29 подсоединены между резисторами 13 и 14, а его выходы постоянного тока через. диоды 30 и 31ко входу потенциального разделителя 28.

Один из выходов переменного тэка диодной мостовой схемы 29 соединен с резистором 32 и анодом диода 30, а другой соединен с резистором ЗЗ и катодом диода 31. Вторые концы резисторов 32

Датчик 6 тока якоря через инвергнруюший усилитель 17 подключен к резистору

14. Между выходом и входом эталонного звена 4 включены входы переменного тока диодного моста 18, к выходам постоян-5 ного тока которого подсоединен встречно выход суммирующего усилителя 19. Ко входам усилителя 19 подсоединены параллельно датчик 7 модуля напряжения на якоре 1, через первый блок 20 нелинейности датчик 8 тока возбуждения, через стабилитрон 10 датчик 9 температуры якорных обмоток, Для изменения постоянной времени эталонного звена 4 между его входом и выходом включены входы переменного тока второго диодного моста 21. К выходам постоянного тока последнего присоединен переход эмиттер-коллектор транзистора 22. К переходу эмиттербаза транзистора 22 подключен дополнительный суммирующий элемент 23, например магнитный усилитель с высокой частотой питания, ко входам которого параллельно подключены датчик 7 моду25 ля напряжения на якоре 1, через второй блок нелинейности 24 подключен датчик

8 тока возбуждения, а также через пороговый элемент, возможным вариантом которого может быть, нвпример стабнлитрон 12, датчик 11 скорости нарастания ускорения рабочего органа на трэсо вой подвеске, например ковша экскаватора-драглвйна.

35 и 33 сэединены между собой и общей точкой схемы.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии сигнала нв его входе напряжение на выходе регулятора 3 тока якоря и напряжение на выходе эталонного звена 4 равно нулю, а выход моста 18 заперт благодаря наличию опорного напряжения нв выходе суммирующего усилителя 19. Ток якоря равен нулю, поэтому напряжение нв выходе инвертируюшего усилителя 17 также равно нулю; При этом напряжение на регулирукъщем входе управляющего элементв 5 также равно нулю, что независимо от исполнения этого элемента, определяет коэф фициент усиления регулятора тока 3.

При поступлении на вход устройства сигнала задания, нвпример положительного, отрицательное напряжение на выходе эталонного.звена 4 начинает расти со скоростью, определяемой постоянной Времени этого звена.

Одновременно появляется отрицательное напряжение нв выходе регулятора 3 тока якоря н напряжение на выходе регулируемого преобразователя 2. Под действием напряжения на выходе преобразователя 2 по обмотке якоря 1 электродвигателя потечет ток, вследствие чего появляется отрицательное напряжение нв выходе датчика.6 тока якоря и положительное напряжение на выходе инвертируюшего усилителя 17. Если ток якоря при этом по модулю меньше задаваемого напряжения на выходе эталонного звена 4, то управляющий элемент 5 увеличивает коэффициент передвчи регулятора тока 3, что приводит к увеличению. напряжения вентильного преобразователя

2 и тока якоря 1 до достижения задан- ной величины. При этом существуют различия в режимах работы схемы, когда используется в качестве управляющего элемента 5 блок умножения или схема фиг ° 2. При использовании варианта схемы с блоком умножения в качестве управляющего элемента прн напряжении на выходе эталонного авена по модулю больше, чем напряжение на выходе инвертируюшего усилителя 17, и положительном сигнале задания на управляющем входе блока умножения начинают действовать отрицательные напряжения, что приводит к преобразованию знака сигнала и знака обратной связи, осуществляемой через блок умножения. В этом случае, 656169

10 который соответствует отставанию величины тока якорной цепи от задания, регулятор 3 тока под действием образовавшейся попожитепьной обратной связи выходит на уровень ограничения напряжения усилителя, т,е. ведет себя как репейный элемент.

При использовании в качестве управпяющего элемента 5 схемы фиг. 2 и тех же соотношениях модулей и знаков напряжений потенциал на общей точке катода диода 30 и резистора 32 становится по отношению к обшей точке схемы отрицательным, что приводит к подаче на базу транзистора 26 через потенциапьный разделитель 28 и диодный мост 27 положительного потенциала и увеличению эквивалентного сопротивпения транзистора 26; уменьшению обратной связи между входом и выходом регу пятора 3 и увеличению напряжения на его выходе. При этом регулятор 3 может оставаться на линейной части характе. ристики ипи перейти на режим насыщения, т.е, вести себя как репейный эпемент в зависимости от выбранного cocvrношения параметров, Под действием увепиченного напряжения на входе преобразователя 2 увеличивается ток якоря 1, напряжение на выходе датчика тока якоря 6 и инвертируюше» го усилителя 17.

После достижения током якоря заданной величины меняется направление тока в резисторах 13 и 14 и потенциал их обшей точки.

В этом спучае на управпяюший вход блока умножения, используемого в качестве управпяюшего элемента 5, постунает положительный сигнал, а на второй вход - отрицательный. Поэтому между выходом и входом регулятора 3 образуется отрицательная обратная связь, величина которой будет тем больше, чем больше превышение тока якоря над заданным уровнем. Таким образом, компенсируется любое отклонение параметров контура регулирования тока якоря, т,е осушествпяется его адаптивное регулирование. В этом же спучае, если в качестве элемента 5 используется схема фиг. 2, на общей точке резистора

33 и катода диода 31 возникает попожитепьный потенциап, поэтому на вход потенциального разделителя 28 напряжение не попадает и транзистор 26 под действием отрицательного смещения на базе уменьшает свое эквивалентное сопротивление, увепичивается отрицатепьная обратная связь между выходом и входом регупятора 3 и ограничивается величина тока якоря. Таким образом, и в этом случае обеспечивается адаптивное регулирование тока якоря Если при применении в качестве элемента .5 блока умножения поддерживается значение тока якоря немного большее опредепяемого напря нием на выходе эталонного звена 4, то благодаря нелинейным свойствам диодов мостовой схемы 29 и диодов

30 и 31 в случае использования в качестве управляющего элемента 5 схемы

13 фиг. 2 значение тока якорной цепи поддерживается меньшее.

Напряжение на выходе эталонного звена 4 определяется после достижения уровня напряжения ограничения напряжением подпора на выходах постоянного тока диодной мостовой схемы 18. Это напряжение подпора создается на выходе суммирующего усилителя 19 в соответствии с законами коммутации в функции напря жения на выходе первого блока 20 нелинейности, т.е. s функции тока возбуждения, измеряемого датчиком 8 и модул напряжения на якоре электродвигателя, измеряемого датчиком модуля 7 напряжения.

Кроме изменения напряжения этапонного звена по законам коммутации возможно уменьшение напряжения этапонно

ro звена 4 и, следовательно, тока якоря электродвигателя при перегревах обмотки, когда напряжение на выходе датчика 9 станет больше напряжения открывания стабилитрона 10.

Скорость изменения напряжения на

4 выходе эталонного звена, а спедоватепьно, и тока якоря эпектродвигателя, регупируется изменением эквивапентного сопротивления транзистора 22.

Изменение эквивалентного сопротив пения транзистора 22 происходит вследствие изменения напряжения на выходе усилителя 23 в соответствии с законами коммутации, так как ко входу усиля

50 тепя 23 присоединены выход датчика модуля напряжения на якоре 7 и через второй блоМ 24 нелинейности датчик тока возбуждения. Кроме того, недопустимая высокая скорость нарастания ускореИ ния может привести к ряду повреждений, в том числе муфты электродвигателя, поэтому скорость нарастания тока ограничивается и по этому параметру при помощи датчика 11 и стабипитрона 12

656169

При достижении напряжением на выходе эталонного звена 4 максимально допустимого значения напряжение на выходе диодного моста 18 становится больше напряжения на выходе суммирующего уси5 лителя 10, вследствие чего через внутреннее сопротивление последнего потечет ток и, в результате образовавшейся обратной отрицательной связи между входом и выходом эталонного звена 4 его î напряжение перестает расти. Эталонное звено 4 в этом режиме играет роль источника переменного напряжения сравнения. В результате и в этом режиме веt3 личина тока якоря ограничивается в функции параметров, подведенных ко вхо дам суммирующего усилителя 19, а именно. "модуля напряжения на якоре, снимаемого с выхода датчика 7, величины маг20 нитного потока, формируемого на выходе первого блока 2О нелинейности и подключенного своим входом к датчику 8 тока возбуждения, превышения температуры обмоток якорной цепи, выделяемой в виде напряжения датчиком 9.

При достижении заданной частоты вращения якорем 1 электродвигателя начинает уменьшаться сигнал задания на входе всей схемы. При уменьшении сигнала задания до уровня, не вызывающего запирания диодной схемы 18, напряжение на выходе эталонного звена 4 не меняется, B на входе регулятора TDKB

3 уменьшается„Поэтому происходит пере. стройка режимов управляющего элемента

5, уменьшение обратной связи между входом и выходом регулятора 3, которая обеспечивает с некоторой точностью поддержание тока якоря 1 на уровне, определяемом условиями коммутации и нагрева. Таким образом обеспечивается лучшее заполнение токовых диаграмм.

При дальнейшем уменьшении сигнала задания напряжение на выходе эталонно го звена 4 становится меньше, диодный мост 18 запирается и сигнал на выходе эталонного звена 4 уменьшается. Скорость изменения этого напряжения определяется постоянной времени эталонного звена и скоростью изменения напряжения на входе.

При переходе в тормозной режим про

И цессы протекают идентично, Но полярности отличаются. Никаких особенностей предлагаемая схема в этом режиме, как ч в.тормозном режиме, не имеет.

Характер процессов определяется параметрами модели. Поэтому процессы инвариантны по отношению к изменению параметров контура тока якоря. Изменение статического момента на валу влияет на продолжительность процесса разгона и торможения электродвигателя. На величину предельного тока статический момент влияет только лри перегревах.

Положительный эффект, достигаемый в результате использования устройства для регулирования тока якоря, состоит в сведении к минимуму отклонения тока якоря от оптимального и обеспечении инвариантности регулирования тока якоря; компенсировании в практически возможном диапазоне изменений и возмущений, действующих на контур регулятора тока якоря; учете коммутационных ограничений для тока якоря и предельном использовании коммутационных эозможностей электродвигателя и при двухзонном управлении скоростью и возможности изменения скорости нарастания тока и момента электродвигателя в широких пределах в зависимости от потребности.

Формула изобретения

1. Устройство для регулирования тока якоря электродвигателя, содержащее электродвигатель постоянного тока, регулируемый вентильный преобразователь, регулятор тока якоря и датчик тока якоря,отличающееся тем, что, с целью повышения стабильности токовых диаграмм в динамических режимах при более полном использовании возможности электродвигателя, в устройство введены эталонное апериодическое звено с обратными связями по коммутациоиным и динамическим параметрам и управляющий элемент, включенный между выходом.и входом регулятора тока якоря, причем вход эталонного,, апериодического звена подсоединен ко входу регулятора тока якоря, а выход упомянутого звена подключен к регулирующему входу управляющего элемента, к которому через дополнительно введеннЫй инвертирующий усилИтель подключен датчик тока якоря.

2. Устройство по п. 1, о т л и ч аю ш е е с я тем, что в цепь обратной связи эталонного апериодического звена входами переменного тока включен диод656169

14 ный мост, к выходам постоянного тока которого встречно подключен выход суммирующего усилителя, ко входам которого параллельно присоединены дополнительный датчик модуля напряжения на якоре, через дополнительный первый блок нелинейности — датчик тока возбуждения, а также соединенный последовательно с пороговым элементом дополнительный датчик температуры якорных обмоток.

3. Устройство по пп. 1 и 2, о тл и ч а ю ш е е с я тем, что управляющий элемент выполнен в виде блока умножения, один из входов которого является регулируюшим.

4. Устройство по пп. 1 и 2, о тл и ч а ю ш е е с я тем, что управляюший элемент выполнен в виде диодно-мостовой схемы с транзистором, причем к выходам постоянного TDKR диодно-мостовой схемы подключен переход эмиттерколлектор транзистора, переход эмиттербаза которого служит регулирующим входом управляющего элемента.

5. Устройство по пп. 1-4, о т л ичаюшееся тем,что,сцельюизменения постоянной времени эталонного апериодического звена, между его входом и выходом включены входы переменного тока второго диодного моста, к выходам постоянного тока которого присоединен переход эмиттер-коллектор дополнительного транзистора, а к переходу эмиттербаза последнего подключен дополиитель» ный суммируюший элемент, ко входу которого параллельно подключены датчик модуля напряжения на якоре и выход второго дополнительного блока нелинейности, ко входу которого подключен датчик тока возбуждения.

6. Устройство по пп. 1-5, о т л ич а ю ш е е с я тем, что ко входу дополнительного суммируюшего элемента последовательно с пороговым элементом подключен датчик скорости нарастания ускорения.

Источники информации, принятые во внимание цри экспертизе

1. Журнал "Яюп16цз 7611вс МН", В 42, 1968, 34 9, 765-868.

2. Гарпов В. К. и др. Унифицирован25 ные системы автоматического управления электроприводом в металлургии, М., Металлургия, 1971, с. 84-86., 656169

Составитель В. Ткаченко

Редактор В. Фельдман Техред О. Андрейко Корректор Д. Мельниченко

Заказ 1543/45 Тираж 856 Подписное

I1HHHfIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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