Способ управлеия электродвигателем постоянного тока и устройство для его реализации

Способ управлеия электродвигателем постоянного тока и устройство для его реализации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

<,873367

Союз Советскмк

Соцнапистнчеснкк

Республик

S

» ?

l (61) Дополнительное к авт. свил-ву— (22) Заявлено 01.03.79 (21,) 2732127/24 — 07

2732049/24-07 с присоединением заявки ¹вЂ” (51) М. Кл.

Н 02 Р 5/06

Гасударственный комитет

СССР (28) Приоритет—

Опубликовано 15.10.81. Бюллетень № 38

Дата опубликования описания

IIo делам изобретений и аткрытнй (53) УД 62-83:621. .314.5 (088.8) (72) Авторы изобретения

В. М, Мительман, Ю. В. Лухнн и 10. П. Сердюк (71) Заявитель (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО

ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в быстродействую> щих электроприводах лебедки буровых установок, главных и вспомогательных механизмов прокатных станов, механизмов копания одно5 ковшовых экскаваторов, механизмов тяги и подъема экскаваторов-драглайнов и т.д.

Режимы электроприводов постоянного тока перечисленных механизмов ограничиваются, главным образом, по условиям обеспечения необ 1О ходимой надежности. В этом отношении самым слабым звеном является электродвигатель, режим работы которого, в свою очередь, ограничивается по условиям коммутации.

Применение в электроприводах постоянного тока тиристорных преобразователей с быстро- действующими схемами управления вызвало особую необходимость решения задачи обеспечения надежной работы электродвигате/тя при большом диапазоне изменений напряжения, при. ложенного к якорю и обмотке возбуждения.

Известен способ согласно которому в быстродействующем электроприводе обмотку доба-, вочных полюсов и компенсациотптую обмотку шунтируют тиристорным прерывателем, управление которым осуществляют в зависимости от частоты вращения электродвигателя и таким образом влияют на улучшение условий коммутации, а значит, и повышение надежности электродвигателя (11.

Однако это изобретение только частично решает задачу, так как возможности рассматриваемого способа ограничены.

Известен также способ управления электроприводом постоянного тока, по которому производят регулирование скорости изменения тока якоря в функции максимального межламельного напряжения коллектора, снижая опасность возникновения кругового огня (2).

Однако при этом учитываются не все факторы, способные вызвать круговой огонь на коллекторе.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ управления электродвигателем постоянного тока, согласно ,которому т осуществляют контроль качества коммутации зг ктродвигателя по величине искрения под рабочими щетками, преобразуют

8733 уровень искрения в электрический сигнал, который сравнивают с заданным значением, и при превышении заданного значения регулируют ток якоря в функции Ътого превышения (3).

Существенным недостатком этого способа

-является то, что он не обеспечивает достаточной надежности работы электропривода постоянного тока, так как контролируемый параметр, используемь1й для управления, учитывает только один фактор, влияющий на надежность коммутации — искрение, в то время как другой фактор — большое межламельное напряжение — оставлено без внимания.

При наличии искрения иа коллекторе электродвигателя постоянного тока возможность возникновения кругового огня определяется, главным образом, величиной межламельного напряжения. При больших значениях последнего скорость развития кругового огня на коллекторе соизмерима со скоростью изменения режимов о современных систем автоматического регулирования электропривода. Отсюда управление электродвигателем в зависимости от уже возникшего искрения может привести к изменению режима электропривода уже после возникновения круго- zS вого огня, а также к ускоренному электроэрозионному износу коллектора, что резко снижает надежность его работы.

Известно устройство для реализации способа управления электродвигателем постоянного тока, =,; содержащее блок задания режима, регуляторы частоты вращения и тока якоря, соединенные последовательно между собой, управляемый вентильный преобразователь, вь|делитель модуля межламельного напряжения, связанный

35 своими входами с одной парой измерительных щеток, которые через дополнительные кольца соединены с двумя соседними ламелями коллектора, транзистор и диодный мост, подключенный входом между входом и выходом регу- 4О лятора частоты вращения (4):

Это устройство позволяет уменьшить возможность возникновения кругового огня на коллекторе изменением магнитного потока дополнительных полюсов в функции максималь- 4> ного значения межламельного напряжения и этим ограничивает скорость нарастания тока якоря. Но в этом устройстве также не учитываются все факторы (степень искрения под рабочими щетками, скорость нарастания амплитуды межламельного напряжения над допустимым уровнем и т;д.), влияющие на искрение, и это не исключает возможности возникновения кругового огня, что ограничивает область применения этого устройства.

Целью изобретения является повышение надежности работы электродвигателя постоянного тока путем снижения вероятности возникновения кругового огня на коллекторе электроб7 4 . двигателя, а также ограничения электроэрозионного износа коллектора.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу дополнительно определяют величину максимального межламельного напряжения на коллекторе, сравнивают его с допустимым уровнем, при превышении которого уменьшают сигнал задания тока, при уменьшении результата сравнения до нуля увеличивают сигнал задания тока якоря со скоростью, пропорциональной частоте вращения якоря до величины, определяемой допустимым уровнем искрения на коллекторе.

Поставленная цель в устройстве достигается тем, что в него дополнительно введены блок контроля. качества коммутации, конденсатор и блоки управления зарядом и переэарядом конденсатора, выходы которых своими противоположными полярностями подключены совместно к обеим обкладкам конденсатора и к базе упомянутого транзистора, соединенного своим эмиттером через резистор с другой обкладкой конденсатора, к зажимам резистора подключен выход по постоянному току упомянутого диодного моста, причем входы блока управления зарядом конденсатора связаны с датчиком частоты вращения и выходом узла контроля качества коммутации, а вход блока управления перезарядом конденсатора — с упомянутым выделителем модуля.

Узел контроля качества коммутации содержит дополнительную пару измерительных щеток, установленных симметрично относительно рабочей щетки на расстоянии, не превышающем 2—

3 ламелей от нее, причем выводы рабочей и каждой измерительной щеток подключены через диодный мост и стабилитрон к управляющей обмотке внешней отрицательной обратной связи магнитного усилителя.

Блок управления зарядом конденсатора содержит два диодных моста, выход по переменному току первого моста через эмиттер и коллектор транзистора соединен со входом по переменному току второго моста, а выход этого блока непосредственно связан с его входом со стороны узла контроля качества коммутации.

Кроме того, блок управления перезарядом конденсатора. содержит на входе стабилитрон и дополнительный конденсатор, а на выходе— транзистор, база которого через резистор соединена с конденсатором, а коллектор — через логические элементы НЕ и И вЂ” НЕ, причем последний связан одним своим входом с коллектором второго транзистора, база которого через операционный усилитель присоединена к катоду упомянутого стабилитрона.

873367

Сущность предложенного способа заключается в следующем.

При работе привода без резко изменяющихся нагрузок и без ослабления магнитного потока, когда искрение на коллекторе электродвигателя отсутствует или незначительно, ток якоря изменяют в соответствии с заданным режимом его работы и корректируют сигналом внутренней отрицательной ббратной связи по току. Производят непрерывный контроль качества коммутации путем измерения уровня искрения под сбегающим и набегающим края,ми рабочей щетки и сравнения его с допустимой величиной. При повышении уровня искрения, (например, при срабатывании коллектора) его преобразуют в сигнал отрицательной обратной связи по уровню искрения. Последний интегрируют с большой постоянной времени и используют в качестве управляющего сигнала, ограничивающего сигнал задания на предельно допустимое значение тока в главной цепи так, что с увеличением уровня искрения его (сигнал задания) уменьшают, Непрерывно контролируют также межламельное напряжение на двух соседних коллекторных пластинах и скорость его изменения. Таким образом, учитывают влияние на эти параметры формы электромагнитного ноля на всех его участках за каждый оборот якоря электродвигателя. Выделяют модуль напряжения и сравнивают его амплитуду с допустимой величиной, и при ее значениях, меньших допустимого, сигнал обратной связи .по межламельному напряжению отсутствует.

Резкие изменения нагрузки на валу электродвигателя или уменьшение его магнитного потока вызывают повышение как уровня искрения, так и межламельного напряжения на коллекторе. Когда при этом амплитуда межламельного напряжения достигает максимально допустимой величины (при значительных скоростях изменения ее превышения) вырабатывают дискретный сигнал, пропорциональный скорости изменения ее превышения. В функции этого сигнала с малой постоянной времени также уменьшают задание на предельно допустимую величину тока якоря и между его (сигнала) импульсами восстанавливают ее со скоростью, пропорциональной частоте вращения якоря электродвигателя. Восстановление сигнала задания на предельно допустимый ток якоря после превышения межламельным напряжением допустимого уровня производят за время, равное времени поворота якоря электродвигателя на 360 — 540 эл. град. Этот цикл повторяют до тех пор, пока значение межламельного напряжения не установится в пределах допустимого.

Причем значение восстановленного задания в каждом цикле ограничивают сигналом обратной

25 зо

35 ю

6 связи по уровню искрения в данный момент времени.

На фиг. 1 показана блок-схема устройства; на фиг. 2 — узел контроля качества коммутации; на фиг. 3 — блок управления зарядом конденсатора; на фиг. 4 — блок управления перезарядом конденсатора.

Блок 1 задания режима, регуляторы частоты вращения 2 и тока якоря 3 соединены последовательно между собой. Последний связан с управляемым вентильным преобразователем 4, вход которого через датчик 5 тока соединен с рабочими щетками 6 на коллекторе электродвигателя. Первая пара измерительных щеток 7, соединенных через кольца 8 с двумя соседними ламелями коллектора, подключена ко входу выделителя 9 модуля межламельного напряжения, выход последнего соединен с входом блока 10 управления перезарядом конденсатора. Выходы блока 10 управления перезарядом и блока 11 управления зарядом конденсатора своими противоположными полярностями подключены совместно к обеим обкладкам конденсатора 12 и базе транзистора 13, соединенного своим эмиттером через резистор 14 также с другой обкладкой конденсатора 12. Коллектор транзистора подключен к постороннему источнику. Выход по постоянному току диодного моста 15 под- . ключен к зажимам резистора 14, а его вход подключен между входом и выходом регулятора частоты вращения 2. Входы блока 11 управления зарядом конденсатора соединены с выходами датчика 16 частоты вращения и узла 17 контроля качества коммутации.

При этом датчик 16 частоты вращения соединен также со входом регулятора 2 частоты вращения, а датчик 5 тока — с регулятором 3 тока якоря. Узел контроля качества коммутации 17 включает вторую пару измерительных щеток 18, расположенных от рабочей щетки

6 на расстоянии, не превышающем двух-трех коллекторных делений. К рабочей щетке 6 подключена одна пара клемм входов по постоянному току диодных мостов 19 и 20, а другая пара этих клемм соединена с измерительными щетками 18. К отрицательным полюсам выходов этих мостов 19 и 20 присоединены аноды стабилитронов 21 и 22, соопзетственно, а к их катодам присоединены начала двух обмоток 23 управления магнитного усилителя 24, концы которых присоединены к положительным полюсам выходов соответствующих диодных мостов 19 и 20.

Выход усилителя 24 соединен с выходом фильтра 25, выход которого является выходом узла 17 контроля качества коммутации.

Блок 11 управления зарядом конденсатора, содержит два диодных моста 26 и 27. Вход

3367

10

7. 87 моста 26 по постоянному току является ахо- . дом блока 11 со стороны датчика 16 частоты вращения, а входом со стороны узла 17 контроля качества "коммутйции является база транзистора 28, к которой подключены также клемма выхода моста 26 и клемма входа моста 27 по переменному току. Две друтне аналогичные клеммы подключены к эмиттеру и коллектору транзистора 28. Выход по постоянному току днодного моста 27, связан с выходом узла 17 и является выходом блока 11.

8. на вход блока 10 управления,перезарядом конденсатора 12, т.е. на конденсатор 29 и стабилитрон 30. Ввиду того, что входное напряжение ниже пробивного напряжения стабилитрона 30, он заперт, напряжение на усилителе 36 отсутствует, транзистор 38 под действием положительного смещения полностью открыт и поэтому на вход логического элемента И вЂ” НЕ 32 приходит только одиИ сиг- нал, что обуславливает его открытое состояние и закрытое состояние логического элемента

НЕ 33. Поэтому коллектор транзистора 34 не

Блок 10 управления перезарядом конденсатора 12 содержит конденсатор 29, одна обкладка которого подключена к положительному полюсу входа со стороны датчика 16 частоты вращения и аноду стабилитрона 30, который через резистор 31 соединен с отрицательным полюсом упомянутого входа. Вторая обкладка конденсатора 29 соединена через логические элементы

И вЂ” НЕ 32, НЕ 33 с коллектором транзистора 34 и через резистор 35 с его базой.

Анод стабилнтрона,30 соединен через усилитель 36, резистор 37 с базой транзистора 38.

Устройство работает следующим образом.

При установившемся режиме работы электродвигателя искрение под рабочими щетками от» сутствует или очень незначительно, а межламельное напряжение на коллекторе не превышает допустимого значения.

Уровень искрения на коллекторе характеризуется напряжением между рабочей щеткой 6 и измерительными щетками 18. При отсутствии искрения, когда сопротивление контактной пары щетка-коллектор мало, напряжение между рабочей щеткой 6 и измерительными 18 также мало. Это напряжение через диодные мосты 19 н 20, стабилитроны 21 и 22 поступает на обмотку 23 внешней отрицательной обратной связи по напряжению, напряжение с выхода усилителя 24 через фильтр 25 поступает на выход узла 17 контроля качества коммутации и имеет максимальное значение.

С выхода узла 17 напряжение поступает на одни из входов блока 11 управления зарядом конденсатора 12, на второй вход блока 11 управления зарядом подается напряжение, снимаемое с датчика 16 частоты вращения, которое прикладывается ко входу по постоянному току днодиого. моста 26. Однако сигнал с датчика 16 частоты вращения не проходит через блок 11 упрайления зарядом конденсато. ра, ввиду симметричности процессов в коллекторной и эмиттерной цени транзистора 28, и напряжение на выходе блока 11 управления зарядом равно максимальному напряжению,. поступающему с узла 17 контроля качества коммутации.

При этом напряжение с выделителя 9 модуля с удвоенной частотой следования поступает якоря.

При появлении искрения на коллекторе и эо большой скорости нарастания превышения меж35

40 t5

55 получает питания и напряжение на выходе узла 10 управления перезарядом отсутствует.

Таким образом, напряжение на выходе узла 17 обуславливает максимальный заряд конденсатора 12, полное открывание тнристора 13 и максимальное падение напряжения на резисторе.14. При этом диодный мост 15 подпирается относительно большим потенциалом, и напряжение на выходе регулятора 2 частоты вращения определяется сигналом задания блока 1 режима. На входе регулятора тока 3 сигнал обратной связи по току, снимаемый с выхода датчика 5, сравнивается с большим сигналом задания, что обуславливает большую величину напряжения, приложенного ко входу тиристорного преобразователя, и заданное значение тока ламельного напряжения в момент скачкообразного изменения нагрузки электродвигателя сопротивление контактной нары щетка — коллектор резко увеличивается. Вследствие этого, напряжение между рабочей щеткой 6 н. измерительной 18 увеличивается до максимальной величины. Это напряжение через диодные мосты 19 и 20, стабилитрон 21 и 23 поступают на обмотку 23 внешней отрицательной обработной связи. На выходе усилителя 24, а следовательно, и на выходе узла 17 контроля качества коммутации напряжение уменьшается.

Уменьшение напряжения на выходе узла 17 контроля качества коммутации вызывает уменьшение коллекторного тока транзистора 28, который определяется напряжением, поступающим с датчика 16 частоты вращения, и величиной напряжения на его базе, а следовательно, на выходе блока 11 управления зарядом конденсатора величина напряжения также уменьшается.

Одновременно с выделителя 9 модуля на конденсатор 29 и стабилитрон 30 поступает напряжение выше допустимого уровня, с большой скоростью нарастания его превышения. Стабилитрон 30 открывается, поэтому на входе усилителя 36 появляется напряжение отрицательного знака, и по базовой цепи транзистора 38 течет ток н он запирается, а следовательно, запирается логический элемент 32 и отпирает. ся органический элемент 33. Вследствие этого на коллекторе транзистора 13 появляется на; пряжение, На базу транзистора 13 поступает через резистор 35 напряжение, пропорциональное скорости изменения межламельного напряжения. На выходе блока 10 управления перезарядом конденсатора 12 имеем напряже1 ние, пропорциональное превышешпо амплитуды межламельного напряжения допустимого уровня и скорости нарастания этого напряжения.

При этом, исходя из описанного принципа работы узла 17 контроля качества коммутации и блоков 10 и 11 управления перезарядом и зарядом конденсатора, на конденсатор 12 посту40

50

55 пает одновременно напряжение противоположной полярности с блока 10 управления перезарядом, которое разряжает конденсатор 12, и пониженное напряжение с блока 11 управления зарядом, которое заряжает конденсатор 12 до меньшей величины. Под действием этих двух факторов напряжение на конденсаторе 12 уменьшается с большой скоростью, а напряжение на выходе диодного моста 15 увеличивается с такой же скоростью. Это способствует снижению напряжения на регуляторах 2 частоты вращения, тока якоря 3, вентильном преобразователе 4, и уменьшению тока в якоре, за счет чего уменьшается искрение на коллекторе.

Поскольку в данном устройстве замеряется величина межламельного напряжения у одной пары ламелей, то информация о превышении амплитудой допустимого уровня может носить только дискретный характер, поэтому устройством предусматривается после снижения напряжения на конденсаторе 12 с помощью блока 10 унравления перезарядом новыи. подзаряд конденсатора 12 таким образом, что к моменту получения следующей информации о превышении максимального межламельного напряжения и скорости его нарастания, конденсатор 12 заряжается до уровня несколько меньшего, чем начальный.

Так как величина интервала между максимумами межламельного напряжения обратно пропорциональна частоте вращения якоря, то эта операция осуществляется с помощью блока 11, управления зарядом конденсатора под действием обратной связи по частоте вращения якоря электродвигателя.

При этом скорость нарастания напряжения иа конденсаторе 1.2 пропорциональна скорости вращения якоря и частоте следования полупериодов напряжения на выходе выделителя 9 модуля напряжения, что обеспечивает адапта цию устройства к новым условиям.

Регулирование тока якоря в функции основ- ных параметров, влияющих на степень искрения, дозволяет значительно снизить возможность

25 зо

7 10 возникновения кругового огня на коллекторе, повысить надежность электропривода постоянного тока.

Формула изобретения

1, Способ управления электродвигателем постоянного тока, согласно которому осуществляют Контроль качества коммутации электродвигателя по величине искрения под рабочими щетками, преобразуют уровень искрения в электрический сигнал, который сравнивают с заданным значением, и при превышении заданного значения регулируют ток якоря в функции этого превышения, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения надежности работы электродвигателя за счет ограничения электроэрозионного износа коллектора и снижения вероятности возникновения кругового огня на коллекторе, определяют величину максимального межламельного напряжения на коллекторе, сравнивают его с допустимым уровнем, при превышении которого уменьшают сигнал задания тока, при уменьшении результата сравнения до нуля увеличивают сигнал задания тока якоря со скоростью, пропорциональной частоте вращения якоря до величины, определяемой допустимым .уровнем искрения на коллекторе.

2 Устройство дпя реализации способа управления электродвигателем постоянного тока содержащее блок задания режима, регуляторы частоты вращения и тока якоря, соединенные последовательно между собой, управляемый

f вентильный преобразователь, выделитель модуля межламельного напряжения, связанный своими входами с одной парой измерительных щеток, которые через дополнительные кольца соединены с двумя соседними ламелями коллектора, транзистор и диодиый мост, подключенный входом между входом и выходом регулятора частотывращения отличающееся тем, что, с целью повышения надежности работы электродвигателя за счет снижения возможности возникновения кругового огня на коллекторе, в устройство введены узел контроля качества коммутации, конденсатор и блоки управления зарядом. и перезарядом конденсатора, выходы которых своими противоположными полярностями подключены совместно к обеим обкладкам конденсатора и к базе упомянутого транзистора, соединенного своим эмиттером через резистор с другой обкладкой конденсатора, к зажимам резистора подключен вход но постоянному току упомянутого диодного моста, причем входы блока управления зарядом конденсатора связаны с датчиком частоты вращения и выходом узла контроля качества коммутации, а вход блока управления, 873367

12 переэарядом конденсатора — с упомянутым выделителем модуля.

3. Устройство по п. 2, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что узел контроля качества коммутации содержит дополнительную пару измерительных щеток, установленных симметрично относительно рабочей щетки на расстоянии, не превышающем 2 — 3 ламелей от нее, причем выводы рабочей и каждой измерительной щеток подключены через диодный мост и стабилитрон к управляющей обмотке внешней отрицательной обратной связи магнитного усилителя.

4. Устройство пои. 2, о тл ич а ю щее с я тем что блок управления:зарядом конденсатора содержит два диодных моста, выход по переменному току первого моста через эмиттер и коллектор транзистора соединен со входом по переменному току второго моста, а выход этого блока непосредственно связан с его входом со стороны узла контроля качества коммутации.

5. Устройство по п. 2, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что блок управления перезарядом конденсатора содержит на входе стабилитрон и дополнительный конденсатор, а на выходе— транзистор, база которого через резистор соединена с конденсатором, а коллектор — через логические элементы НЕ и И вЂ” НЕ, причем последний связан одним своим входом с коллектором второго транзистора, база которого через О операционный усилитель -присоединена к катоду упомянутого стабилитрона.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Японии Р 4815401, кл. 55 А 21, 1973.

2 Авторское свидетельство СССР No 556547, кл. Н 02 P 5 06, 1975

3. Патент ГДР И 105953, кл. Н 02 P 5/00, 20

1973.

4. Авторское свидетельство СССР по заявке

Р 2521496, кл. Н 02 P 5 06, 1978.