Пристрій для поліпшення комутації колекторних електричних машин постійного струму

в МІЖ НО2К 13/14. Пристрій для поліпшення комутації колекторних електричних машин постійного струму Винахід відноситься до засобів поліпшення комутації колекторних електричних машин постійного струму в перехідних режимах при поштовхо подібних навантаженнях, а також при регулюванні частоти обертання. Відомий пристрій [А.с. 463200 СССР, МКИ 5 НО2К 23/38. Устройство для улучшения коммутации электрических машин постоянного тока / Магидсон В.В., Поляков Н.Г., Полтава Л.И., Колб А.А. Опубликовано 05.03.75. Бюл.№9] для поліпшення комутації електричних машин постійного струму в перехідних режимах, що містить доповняльну обмотку додаткових полюсів, залучену до регульованого підсилювача, у ланцюг керування якого включені послідовно і зустрічно два датчики Холлу, один із яких встановлений у повітряному зазорі під додатковим полюсом і вимірює індукцію комутуючого потоку, а інший у зазорі магнитопроводу, що охоплює шину зі струмом якоря, міряючи струм якоря. Коефіцієнти передачі датчиків Холлу підібрані таким чином, що в сталому режимі, наприклад, при номінальному струмі якоря, вихідний сигнал дорівнює нулю. При такому вмиканні датчиків Холлу і доборі коефіцієнтів передачі в перехідних режимах, при швидких змінах струму якоря, на їхньому виході виникає сигнал, пропорційний неузгодженості між струмом якоря і потоком додаткових полюсів (комутуючим потоком), обумовленої дією вихрових струмів, що розмагнічує, у магнітному ланцюзі додаткових полюсів. Цей сигнал впливає на регульований підсилювач, що, змінюючи струм в обмотці додаткових полюсів, усуває неузгодженість у змінах струму якоря і комутуючого потоку. Для підвищення швидкодії пристрою і точності компенсації неузгодженості на вхід регульованого підсилювача додатково подається сигнал керування, пропорційний швидкості зміни (похідної) струму якоря. Цей пристрій ефективно покращує комутацію тільки в перехідних режимах і не дозволяє поліпшити комутацію при регулюванні частоти обертання, що є його недоліком. Відомий також пристрій [Магидсон В.В., Поляков Н.Г., Колб А.А. Система автоматического регулирования коммутации для повышения статической и динамической перегрузочных способностей электродвигателей постоянного тока. / Сб. Горная электромеханика и автоматика, 1974, вып.25 с.44-46], найбільше близький до запропонованого, призначений для поліпшення комутації як у перехідних режимах, так і при регулюванні частоти обертання, що містить доповняльну обмотку, розташовану на додаткових полюсах, залучену до виходу реверсивного регульованого підсилювача, керуючий вхід якого сполучений із виходом підсилювача, що сумує, перший вхід якого залучений до датчика похідної (швидкості наростання) струму якоря, другий - до блока формування керуючого сигналу, пропорційного зсуву середньої лінії зони безіскрової роботи при регулюванні частоти обертання, складающійся із послідовно включених датчика швидкості, блока виділення модуля, ланки із зоною нечутливості і множного пристрою, другий вхід якого залучений до датчика струму якоря, а третій вхід підсилювача, що сумує, залучений до блока формування керуючого сигналу, пропорційного неузгодженості в змінах струму якоря і комутуючого потоку, виконаного на двох датчиках Холлу, включених послідовно і зустрічно, один із яких встановлений у повітряному зазорі під додатковим полюсом і вимірює індукцію комутуючого потоку, а інший у зазорі магнитопроводу, охоплюючого шину зі струмом якоря і вимірює струм якоря. Коефіцієнти передачі датчиків Холлу підібрані таким чином, що їхній вихідний сигнал пропорційний неузгодженості в змінах струму якоря і комутуючого потоку. я. У цьому пристрої, найбільше близькому до запропонованого, датчик Холлу, встановлений у повітряному зазорі під додатковим полюсом, призначений для виміру індукц ії комутуючого потоку, реагує на будь- які зміни індукц ії зазначеного потоку, обумовлені як впливом вихрових струмів, так і зміною магніторушійної сили допоміжної обмотки при корекції середньої лінії зони безіскрової роботи , що знижує точність регулювання положення середньої лінії зазначеної зони при регулюванні швидкості і компенсації неузгодженості між струмом якоря і комутуючим потоком, у перехідних режимах. Якщо в сталому режимі при незмінному по величині струмі якоря, коли відсутня неузгодженість у змінах струму якоря і комутуючим потоком, відбувається зменшення магніторушійної сили обмотки додаткових полюсів під дією керуючого сигналу, пропорційного зсуву середньої лінії зони безіскрової роботи, то при цьому змінюється індукція комутуючого потока, і, отже, на виході датчиків Холлу з'явиться сигнал, що, зменшуючи результуючий сигнал керування на виході підсилювача, що сумує, перешкоджає усуненню зсуву середньої лінії зони безіскрової роботи на необхідну величину. Вихідний сигнал датчиків Холлу (сигнал неузгодженості) повинний з'являтися тільки в перехідних режимах при змінах у часу струму якоря, коли під впливом дії вихрових струмів, що розмагнічує, відбувається запізнювання в змінах комутуючого потоку. У основу винаходу поставлено задачу удосконалення пристрою для поліпшення комутації колекторних машин постійного струму, у котрому іншим конструктивним виконанням блока формування керуючого сигналу, пропорційного неузгодженості в змінах струму якоря і ком утуючого потоку, виключається негативний вплив сигналу, пропорційного індукції комутуючого потоку, формованого в цьому блоці, на результуючий сигнал керування і за рахунок цього усувається взаємний вплив одного блока формування керуючого сигналу на інший і забезпечується незалежність їхнього функціонування в процесі автоматичного регулювання комутації, що сприяє збільшенню точності корекції середньої лінії зони безіскрової роботи при регулюванні частоти обертання і компенсації неузгодженості в змінах струму якоря і комутуючого потоку, у перехідних режимах і при іюштовхоподібних навантаженнях і дозволяє збільшити за умовами комутації статичну і динамічну перевантажувальну спроможність електричних машин постійного струму. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрої для поліпшення комутац ії колекторних електричних машин постійного струму, що містить доповняльну обмотку, розташовану на додаткових полюсах, залучену до виходу реверсивного регульованого підсилювача, вхід якого з'єднанні' із виходом підсилювача, що сумує, перший вхід якого залучений до датчика похідної струму якоря, другий - до блока формування керуючого сигналу, пропорційного зсуву середньої лінії зони безіскрової роботи при зміні частоти обертання, що включає послідовно з'єднані датчик швидкості, блок виділення модуля кутової швидкості, ланку із зоною нечутливості, множний пристрій, другий вхід якого залучений до датчика струму, а вихід залучений до функціонального перетворювача, а третій вхід підсилювача, що сумує, залучений до блока формування керуючого сигналу, пропорційного неузгодженості в змінах струму якоря і комутуючого потоку у перехідних режимах, вхід якого залучений до датчика струму якоря, відповідно до винаходу блок формування керуючого сигналу, пропорційного неузгодженості в змінах струму якоря і комутуючого потоку, виконаний на базі введених масштабного підсилювача і моделі комутуючого потоку, враховуючої розмагнічувальну дію вихрових струмів, вхід якої залучений до виходу датчика струму якоря, а вихід з'єднаний із першим входом масштабного підсилювача, другий вхід якого залучений до виходу датчика струму якоря, вихід масштабного підсилювача, пропорційний зазначеному сигналу керування, залучений до третього входу підсилювача, що сумує. 3. На кресленні наведена принципова блок-схема запропонованого пристрою для поліпшення комутації колекторних електричних машин постійного струму. Пристрій для поліпшення комутації колекторних електричних машин постійного струму містить доповняльну обмотку 1, розташовану на сердечнику додаткових полюсів, реверсивний регульований підсилювач 2 для живлення цієї обмотки, датчик 3 похідної (швидкості зміни) струму якоря, у якості якого може бути використана, наприклад, обмотка керування, розташована на магнитопроводі з повітряним зазором, що охоплює шину зі струмом якоря, блок 4 формування керуючого сигналу, пропорційного зсуву середньої лінії зони безіскровоі роботи при зміні частоти обертання, блок 5 формування керуючого сигналу, пропорційного неузгодженості в змінах струму якоря і комутуючого потоку, сумуючий підсилювач 6, вихід якого залучений до входу підсилювача 2, а виходи Rl, R2, і R3 залучені відповідно до виходів вкзаних датчика 3 і блоків 4 і 5. Блок 4 містить послідовно з'єднані датчик швидкості 7, у якості якого може бути використаний тахогенератор, кинематично з'єднаний із валом електричної машини 8, блок 9 виділення модуля кутової швидкості, наприклад, випрямувач, ланка 10 із зоною нечутливості, наприклад, діод з опорною напругою, множний пристрій 11, виконаний, наприклад, на датчику Холлу, аналоговий або програмний функціональний перетворювач, що використовується при необхідності для більш точного відтворення зсуву середньої лінії зони безіскровоі' роботи у функції струму якоря і абсолютного значення перевищення частоти обертання електричної машини вище заданого значення, установлюваного за допомогою ланки 10. Налагодження блока множення 11 і функціонального перетворювача 12 виробляються на базі зон безіскровоі роботи, отриманих для конкретної електричної машини при різноманітних частотах обертання. Блок 5 формування керуючого сигналу, пропорційного неузгодженості в змінах струму якоря і комутуючого потоку у перехідних режимах, містить послідовно з'єднані датчик струму якоря 13, модель 14 комутуючого потоку, враховуючую дію вихрового струму, що розмагнічує, і масштабний підсилювач 15, другий вхід якого з'єднаний із вихідом датчика струму 13. Модель 14 комутуючого потоку, може бути, наприклад, аналоговою, виконаною на паралельно включених аперіодичних ланках. У перехідних режимах при змінах струму якоря комутуючий потік, з урахуванням впливу вихрового струму, може бути поданий у вигляді суми часткових потоків (основної і вищих гармонік) що змінюються з різноманітними сталими часу [Каплянский А.Е., Лысенко А.П., Полотовский А.Е. Теоретические основы электротехники.-М: Высшая школа, 1972.487 с, стр. 428-430], [Рюденберг Р. Переходные процессы в электрических системах.-М.: Изд-во иностранной лит., 1955.-714 с, стр. 101-107]. Отже в якості моделі 14 комутуючого потоку, можна використовувати, наприклад, паралельно включені аперіодичні ланки з передатною функцією де кп Тг - відповідно коефіцієнт передачі і стала часу основної і вищих гармонік комутуючого потоку , розрахунок яких може бути виконаний по [Каплянский А.Е., Лысенко А.П., Полотовский А.Е. Теоретические основы электротехники.-М.: Высшая школа, 1972.487 с, Рюденберг Р. Переходные процессы в электри чески х системах.-М.: Изд-во иностранной лит., 1955.-714с]. Аперіодична ланка може бути реалізована, наприклад, на базі операційного підсилювача, охопленого зворотнім зв'язком із паралельно з'єднаними ємкістю Сос і опором Roc. При вхідному опорі, рівному R1, коефіцієнт передачі К і стала часу Т визначаються як oc K = R 0C/R J ; Т = С 0С* R f Кількість паралельно включених аперіодичних ланок у моделі 14 залежить від необхідної точності відтворення комутуючого потоку, і дорівнює числу вищих гармонік, що враховуються. Виконані експериментальні дослідження показують, що з погрішністю, що не перевищує 8% , зміну комутуючого потоку, можна відтворити за допомогою моделі на базі однієї аперіодичної ланки з еквівалентною сталою часу вихрового струму, знайденої експериментально, наприклад, за допомогою датчика Холлу або розрахунковим шляхом. На ще більшу точність моделювання магнітного потоку з урахуванням тільки однієї сталої часу вказується в [Каплянский А.Е., Лысенко А.П., Полотовский А.Е. Теоретические основы электротехники.-М.: Высшая школа, 1972.- 487 с, стр.429-430] і [Рюденберг Р. Переходные процессы в электрических системах.-М.: Изд-во иностранной лит., 1955.-714с, стр.106, мал.90]. Пристрій для поліпшення комутації працює таким чином. У сталому режимі роботи, наприклад, при номінальному струмі якоря електричної машини 8, добором величини опорів R4 і R5 масштабного підсилювача 15, домагаються, щоб його вихідний сигнал дорівнював нулю. При такому налагоджені масштабного підсилювача 15 у перехідних режимах при змінах струму якоря на його виході з'являється сигнал, пропорційний неузгодженості в змінах струму якоря і комутуючого потоку, унаслідок наявності запізнювання в моделі 14, а на виході датчика 3 виникає сигнал, пропорційний швидкості змінення струму якоря. Ці сигнали надходять відповідно на входи R3 і R1 підсилювача 6, що сумує. У залежності від величини і знака результуючого сигналу на виході підсилювача 6, що сумує, регульований підсилювач 2, змінюючи струм у допоміжній обмотці 1, здійснює форсировку збудження додаткових полюсів і тим самим компенсує неузгодженість у змінах струму якоря і комутуючого потоку, До визначеної кутової швидкості електричної машини, установлюваної за допомогою ланки 10 із зоною нечутливості, при котрій гілці зони безіскрової роботи симетричні щодо осі струму якоря, вихідний сигнал блока 4 формування керуючого сигналу, пропорційного зсуву середньої лінії зони безіскрової роботи, дорівнює нулю. При збільшенні кутової швидкості вище заданого значення на виході блока 4 з'явиться сигнал, пропорційний зсуву середньої лінії зони безіскрової роботи. Цей сигнал після підсилення надходить на керуючий вхід регульованого підсилювача 2, який змінюючи струм у доповняльній обмотці додаткових полюсів, усуває асиметрію гілок зони безіскрової роботи. Тому що вихідний сигнал моделі 14 комутуючого потоку, залежить тільки від характеру зміни струму якоря і не залежить від струму в допоміжній обмотці додаткових полюсів, то тим самим виключається взаємний вплив одного блока формування керуючого сигналу на інший. Необхідне значення струму в допоміжній обмотці 1 для кожного каналу керування встановлюється зміною коефіцієнтів передачі підсилювача 6, що сумує, шляхом добору вхідних опорів Rl... R3. Запропонований пристрій значно підвищує комутаційну стійкість колекторних електричних машин постійного струму при регулюванні швидкості, у перехідних режимах і при поштовхоподібних навантаженнях, що дозволяє підвищити продуктивність і експлуатаційну надійність електроприводів постійного струму, що потребують регулювання швидкості в щироких^меЗка^йачриклад, прокатні станы, екскаватори та ін.)- ____ f Пристрій для поліпшення комутації колекторних електричних машин постійного струму Фіг. Автори: Іванов О.Б. Поляков М.Г. Колб А.А.