Способ управлеия электродвигателем постоянного тока и устройство для его реализации

1О П И С А Н И Е (п)873367ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскмкСоцнапистнчеснккРеспубликмрй(23) Приоритет -Опубликовано 15.10.81. Бюллетень38 Дата опубликования описания 15.10,81но делам изобретений и аткрытнй) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИот частоты вращенияобразом влияют на ектродвигателя и такимучшение условий комму Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в быстродействую щих электроприводах лебедки буровых уста. новок, главных и вспомогательных механизмов прокатных станов, механизмов копания одно 4 5 ковшовых экскаваторов, механизмов тяги и подъема экскаваторов-драглайнов и т,д.Режимы электроприводов постоянного тока перечисленных механизмов ограничиваются, глав. ным образом, по условиям обеспечения необ.1 О 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 обеспе. чения 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 компенсациотщую обмоткутируют тиристорным прерывателем, упрание которым осуществляют в зависимости тации, а значит, и повышение надежности электродвигателя 11.Однако это изобретение только частично решает задачу, так как возможности рассматриваемого способа ограничены.Известен также способ управления электро. приводом 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 факто ры, 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 х ктродвигателя по величине искрения под рабочими щетками, преобразуют3 8733уровень искрения в электрический сигнал, который сравнивают с заданным значением, ипри превышении заданного значения регулируют ток якоря в функцииЪтого превышения 3.Существенным недостатком этого способа5-является то, что он не обеспечивает достаточной надежности работы электропривода постоянного тока, так как контролируемый пара.метр, используемь 1 й для управления, учитывает только один фактор, влияющий на надежность коммутации - искрение, в то время какдругой фактор - большое межламельное напряжение - оставлено без внимания,При наличии искрения иа коллекторе электро.двигателя постоянного тока возможность воз.никновения кругового огня определяется, главным образом, величиной межламельного напряжения. При больших значениях последнегоскорость развития кругового огня на коллекто.ре соизмерима со скоростью изменения режимов 20современных систем автоматического регулирования электропривода, Отсюда управление электродвигателем в зависимости от уже возникшегоискрения может привести к изменению режимаэлектропривода уже после возникновения кругового огня, а также к ускоренному электроэро.зионному износу коллектора, что резко снижаетнадежность его работы,Известно устройство для реализации способауправления электродвигателем постоянного тока, -,;содержащее блок задания режима, регуляторычастоты вращения и тока якоря, соединенныепоследовательно между собой, управляемыйвентильный преобразователь, вьделитель моду.ля межламельного напряжения, связанныйЗсвоими входами с одной парой измерительныхщеток, которые через дополнительные кольцасоединены с двумя соседними ламелями кол.лектора, транзистор и диодный мост, подключенный входом между входом и выходом регу. 4 Олятора частоты вращения (4):Это устройство позволяет уменьшить возможность возникновения кругового огня наколлекторе изменением магнитного потока дополнительных полюсов в функции максимального значения межламельного напряжения иэтим ограничивает скорость нарастания токаякоря, Но в этом устройстве также не учитываются все факторы (степень искрения подрабочими щетками, скорость нарастания ам.плитуды межламельного напряжения над допустимым уровнем и т;д.), влияющие на искрение, и это не исключает возможности возникно.вения кругового огня, что ограничивает область применения этого устройства,55Целью изобретения является повышение надежности работы электродвигателя постоянноготока путем снижения вероятности возникновения кругового огня на коллекторе электроб 7 4. двигателя, а также ограничения электроэрозионного износа коллектора.Поставленная цель достигается тем, что со.гласно способу дополнительно определяют ве.личину максимального межламельного напряже.ния на коллекторе, сравнивают его с допусти.мым уровнем, при превышении которогоуменьшают сигнал задания тока, при уменьше.нии результата сравнения до нуля увеличиваютсигнал задания тока якоря со скоростью, пропорциональной частоте вращения якоря до вели.чины, определяемой допустимым уровнемискрения на коллекторе,Поставленная цель в устройстве достигаетсятем, что в него дополнительно введены блокконтроля, качества коммутации, конденсатори блоки управления зарядом и переэарядомконденсатора, выходы которых своими проти.воположными полярностями подключены совмест.но к обеим обкладкам конденсатора и к базеупомянутого транзистора, соединенного своимэмиттером через резистор с другой обкладкойконденсатора, к зажимам резистора подключенвыход по постоянному току упомянутогодиодного моста, причем входы блока управления зарядом конденсатора связаны с датчикомчастоты вращения и выходом узла контролякачества коммутации, а вход блока управленияперезарядом конденсатора - с упомянутым выделителем модуля.Узел контроля качества коммутации содержитдополнительную пару измерительных щеток,установленных симметрично относительно рабочей щетки на расстоянии, не превышающем 2 -3 ламелей от нее, причем выводы рабочей икаждой измерительной щеток подключены черездиодный мост и стабилитрон к управляющейобмотке внешней отрицательной обратной связимагнитного 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 сое. динена с конденсатором, а коллектор - через логические элементы НЕ и И - НЕ, причем последний связан одним своим входом с коллектором второго транзистора, база которого через операционный усилитель присоединена к катоду упомянутого стабилитрона.873367 10 Блок 11 управления зарядом конденсатора,содержит два диодных моста 26 и 27, Вход Сущность предложенного способа заключа.ется в следующем.При работе привода без резко изменяющих.ся нагрузок и без ослабления магнитного по.тока, когда искрение на коллекторе электро.двигателя отсутствует или незначительно, токякоря изменяют в соответствии с заданнымрежимом его работы и корректируют сигналомвнутренней отрицательной обратной связи потоку. Производят непрерывный контроль ка.чества коммутации путем измерения уровняискрения под сбегающим и набегающим края.,ми рабочей щетки и сравнения его с допусти.мой величиной, При повышении уровня искрения, (например, при срабатывании коллектора) его преобразуют в сигнал отрицательнойобратной связи по уровню искрения. Последнийинтегрируют с большой постоянной времении используют в качестве управляющего сигнала,ограничивающего сигнал задания на предельнодопустимое .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, Та.ким образом, учитывают влияние на эти пара.метры формы электромагнитного ноля навсех его участках за каждый оборот якоряэлектродвигателя. Выделяют модуль напряженияи сравнивают его амплитуду с допустимойвеличиной, и при ее значениях, меньших допустимого, сигнал обратной связи.по межламельному напряжению отсутствует.1Резкие изменения нагрузки на валу электро.двигателя или уменьшение его магнитногопотока вызывают повышение как уровня искре.ния, так и межламельного напряжения на коллекторе, Когда при этом амплитуда межламельного напряжения достигает максимально допустимой величины (при значительных скоростяхизменения ее превышения) вырабатываютдискретный сигнал, пропорциональный скоростиизменения ее превышения. В функции этогосигнала с малой постоянной времени такжеуменьшают задание на предельно допустимуювеличину тока якоря и между его (сигнала)импульсами восстанавливают ее со скоростью,пропорциональной частоте вращения якоряэлектродвигателя. Восстановление сигнала задания на предельно допустимый ток якоря послепревышения межламельным напряжением допустимого уровня производят за время, равное времени поворота якоря электродвигателяна 360 - 540 эл. град. Этот цикл повторяют дотех пор, пока значение межламельного напряжения не установится в пределах допустимого.Причем значение восстановленного задания вкаждом цикле ограничивают сигналом обратной 15 20 25 зо 35 4 О 45 50 55 6связи по уровню искрения в данный моментвремени,На фиг. 1 показана блок. схема устройства;на фиг. 2 - узел контроля качества коммута.ции; на фиг. 3 - блок управления зарядомконденсатора; на фиг, 4 - блок управленияперезарядом конденсатора,Блок 1 задания режима, регуляторы частоты вращения 2 и тока якоря 3 соединеныпоследовательно между собой, Последний связан с управляемым вентильным преобразова.телем 4, вход которого через датчик 5тока соединен с рабочими щетками 6 на коллекторе электродвигателя, Первая пара измерительных щеток 7, соединенных через кольца 8с двумя соседними ламелями коллектора,подключена ко входу выделителя 9 модулямежламельного напряжения, выход последнегосоединен с входом блока 10 управления перезарядом конденсатора. Выходы блока 10 управ.ления перезарядом и блока 11 управлениязарядом конденсатора своими противоположными полярностями подключены совместнок обеим обкладкам конденсатора 12 и базетранзистора 13, соединенного своим эмиттеромчерез резистор 14 также с другой обкладкойконденсатора 12. Коллектор транзистора подключен к постороннему источнику, Выходпо постоянному току диодного моста 15 под- .ключен к зажимам резистора 14, а его входподключен между входом и выходом регулятора частоты вращения 2. Входы блока 11управления зарядом конденсатора соединеныс выходами датчика 16 частоты вращенияи узла 17 контроля качества коммутации,При этом датчик 16 частоты вращения соеди.цен также со входом регулятора 2 частотывращения, а датчик 5 тока - с регулятором 3тока якоря. Узел контроля качества коммута.ции 17 включает вторую пару измерительныхщеток 18, расположенных от рабочей щетки6 на расстоянии, не превышающем двух-трехколлекторных делений. К рабочей щетке 6подключена одна пара клемм входов по постоянному току диодных мостов 19 и 20,а другая пара этих клемм соединена с изме.рительными щетками 18. К отрицательнымполюсам выходов этих мостов 19 и 20 присоединены аноды стабилитронов 21 и 22,соответственно, а к их катодам присоединеныначала двух обмоток 23 управления магнит.ного усилителя 24, концы которых присое.динены к положительным полюсам выходовсоответствующих диодных мостов 19 и 20.Выход усилителя 24 соединен с выходомфильтра 25, выход которого является выхо.дом узла 17 контроля качества коммутации,3367 5 0 7. 87 моста 26 по постоянному току является вхо- . дом блока 11 со стороны датчика 16 часто. ты вращения, а входом со стороны узла 17 контроля качества "коммутйции является база транзистора 28, к которой подключены так. же клемма выхода моста 26 и клемма входа моста 27 по переменному току. Две другие 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 вход. ное напряжение ниже пробивного напряже ния стабилитрона 30, он заперт, напр яже. ние на усилителе 36 отсутствует, транзистор 38 под действием положительного смещения полностью открыт н поэтому на вход логического элемента И - НЕ 32 приходит только однй сиг-нал, что обуславливает его открытое состояние и закрытое состояние логического элементаНЕ 33. Поэтому коллектор транзистора 34 неБлок 10 управления перезарядом конденсато. ра 12 содержит конденсатор 29, одна обкладка которого подключена к положительному полю. су 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 - 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 б и измерительными 18 также мало. Это напряжение через диодные мосты 19 н 20, стабилитроны 21 и 22 поступа. ет на обмотку 23 внешней отрицательной обратной связи по напряжению, напряжение с выхода усилителя 24 через фильтр 25 посту. пает на выход узла 17 контроля качества коммутации и имеет максимальное значение, С выхода узла 17 напряжение поступает на один из входов блока 11 управления зарядом конденсатора 12, на второй вход блока 11 управления зарядом подается напряжение, снимаемое с датчика 16 частоты вращения, кото. рое прикладывается ко входу по постоянно му 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 цепи 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 моду. ля с удвоенной частотой следования поступаетякоря. При появлении искрения на коллекторе и30 большой скорости нарастания превышения меж. 35 40 35 20 25 45 50 55 получает питания и напряжение на выходеузла 10 управления перезарядом отсутствует.Таким образом, напряжение на выходе узла 17обуславливает максимальный заряд конденсато.ра 12, полное открывание тнристора 13 имаксимальное падение напряжения на резисторе.14, При этом диодный мост 15 подпираетсяотносительно большим потенциалом, и напряжение на выходе регулятора 2 частоть 1 вращения определяется сигналом задания блока 1режима. На входе регулятора тока 3 сигналобратной связи по току, снимаемый с выходадатчика 5, сравнивается с большим сигналомзадания, что обуславливает большую величинунапряжения, приложенного ко входу тиристор.ного преобразователя, и заданное значение тока ламельного напряжения в момент скачкообразного изменения нагрузки электродвигателясопротивление контактной нары щетка - коллектор резко увеличивается, Вследствие этого,напряжение между рабочей щеткой 6 н. измерительной 18 увеличивается до максимальнойвеличины. Это напряжение через диодныемосты 19 и 20, стабнлитрон 21 и 23 поступают на обмотку 23 внешней отрицательнойобработной связи, На выходе усилителя 24, аследовательно, и на выходе узла 17 контролякачества 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 н стабилитрон 30 поступает напря. жение 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,25 ЗО 35 сатора 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 макси. мумами 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 напряженияиа конденсаторе 1,2 пропорциональна скоростивращения якоря и частоте следования полу.периодов напряжения на выходе выделителя 9модуля напряжения, что обеспечивает адаптацию устройства к новым условиям,Регулирование тока якоря в функции основных параметров, влияющих на степень искрения,.дозволяет значительно снизить возможность 40455055 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, пропорциональ. ное скорости изменения межламельного на. пряжения. На выходе блока 10 управления перезарядом конденсатора 12 имеем напряже. 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 поступает одновременно напряжение противополож.ной полярности с блока 10 управления переза.рядом, которое разряжает конденсатор 12, и по.ниженное напряжение с блока 11 управления зарядом, которое заряжает конденсатор 12 до меньшей величины, Под действием этих двухфакторов напряжение на конденсаторе 12 уменьшается с большой скоростью, а напряжение на выходе диодного моста 15 увеличивается с такой же скоростью. Это способствует свижению 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 10чунравления перезарядом новыи. подзаряд конден 7 10возникновения кругового огня на коллекторе,повысить надежность электропривода постоян.ного тока.Формула изобретения1, Способ управления электродвигателем по.стоянного 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 функ.ции 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 сниже.ния вероятности возникновения кругового огня на коллекторе, определяют величину максималь.ного межламельного напряжения на коллекторе, сравнивают его с допустимым уровнем, при превышении которого уменьшают сигнал зада.ши тока, при уменьшении результата сравнения до нуля увеличивают сигнал задания тока якоря со скоростью, пропорциональной частоте вращения якоря до величины, определяемой допусти.мым .уровнем искрения на коллекторе.2 Устройство дпя реализации способа управ.ления электродвигателем постоянного тока содержащее блок задания режима, регуляторы частоты вращения и тока якоря, соединенные последовательно между собой, управляемый 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 диод- ного моста, причем входы блока управления зарядом конденсатора связаны с датчиком частоты вращения и выходом узла контроля ка.чества коммутации, а вход блока управления,переэарядом конденсатора - с упомянутымвыделителем модуля,3. Устройство поп.2, о тлич аю щее с я тем, что узел контроля качества коммутации содержит дополнительную пару измери.тельных щеток, установленных симметричноотносительно рабочей щетки на расстоянии, непревышающем 2 - 3 ламелей от нее, причемвыводы рабочей и каждой измерительной щеток подключены через диодный мост и стабилитрон к управляющей обмотке внешней отрицательной обратной связи минитного усили.теля,4, Устройство поп.2, отличающее с я тем что блок управления:зарядом конденсатора содержит два диодных моста, выходпо переменному току первого моста черезэмиттер и коллектор транзистора соединен совходом по переменному току второго моста,а выход этого блока непосредственно связанс его входом со стороны узла контроля ка.честна 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 сое.динена с конденсатором, а коллектор - через логические элементы НЕ и И - НЕ, причем последний связан одним своим входом с коллек.тором второго транзистора, база которого через 1 О операционный усилитель -присоединена к катодуупомянутого стабилитрона,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе151, Патент Японии Р 4815401, кл, 55 А 21,1973.2 Авторское свидетельство СССР Иф 556547,кл. Н 02 Р 5/06, 19753, Патент ГДР Ио 105953, кл. Н 02 Р 5/00,201973,4, Авторское свидетельство СССР по заявкеИ 2521496, кл. Н 02 Р 5/06, 1978,