Устройство для регулирования тока якоря электродвигателя

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТ 03 фСКОМУ СВИДВТВЛЬСТВУ в 656169 Своз Саватеев Сфциалистицесии Республик(71) Заявитель 54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЯКОРЯ ЭЛЕКТРО ЛИРОВАНИЯ ГОКГАТЕЛЯ 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 рольеИзвестно устройство для регулирования, осуществляющее изменение настройки при отклонении параметров контура регулирования от заданных ЯЭто устройство при помощи системы автоматического регулирования с подчиненным регулированием решает задачу управления обьектом с переменными параметрами. 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 этомустройстве, заключается в раздельнойперестройке всех параметров регуляторапри изменении параметров объекта длянхвзаимного соотВОтствияе 5Недостатком такого устройства является сложность, так как его реализациятребует введения семи блоков интегрирования, шести блоков умножения, двух блоков деления н двух блоков суммирования,Кроме того, его недостатком являетсяотсутствие в схеме ограничения величинырегулируемого параметра и скоростиего изменения.Наиболее близким к изобретению по 5технической сущности н достигаемомурезультату является устройство, котороесодержит электродвигатель постоянноготока, регулируемый вентильный преобразователь, регулятор тока якоря, выполненный в виде операционного усилителя,охваченного цепью отрицательной обратной связи, состоящей из последовательновключенных резистора и конденсатора,датчик тока якоря, узел сравнения заданного и фактического значения тока ифильтр, включенный между узлом сравнения и входом операционного усилителя,а также диодную мостовую схему с источником опорного напряжения, служащуюдля ограничения скорости нарастания тока и включенную своими входами переменного тока между входом и выходомоперационного усилителя 21,Это устройство имеет общий недостаток всех контуров систем подчиненногорегулирования (кроме самого верхнего поиерархическому уровню), а именно введение ограничения регулируемой величиныпутем ограничения уровня сигнала навыходе регулятора наружного контура.Это введение ограничения по току путемограничения сигнала на выходе регулято.ра скорости вызывает отклонение от оптимального переходногО процесса регулирования скорости при изменении условийкоммутации.В известном устройстве параметрырегулирования тока якоря выбраны, исходя из двух возможных вариантов настройки,переходного (модульного)оптимума и симметричного. оптимума,При переходном оптимуме скоростьнарастания тока невелика, что обусловливает неполное использование коммутационных свойств электродвигателя попараметру - - . При настройке на сим 01 Яметричный оптимум величина перерегулирования по току якоря электродвигателя велика (до 41%). Это ведет кнедоиспользованию коммутационныхсвойств электродвигателя по величинетока якоря в последующий период, таккак максимум тока не должен превышать допустимого по коммутации значения. При этом в контур регулированиятока. вносится дополнительное интегри-рующее звено, так как передаточнаяНоТ функция регулятора тока % (р 1= - -Рт рТг где Т = й ТЯ , а величина И определяется характером требуемой оптимизации переходного процесса,Однако при возможных в процессе. работы изменениях величины 1 Я 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 электродвигателяпри холодных" обмотках.3 Целью изобретения является повышение стабильности токовых диаграмм вдинамических режимах при более полном использовании возможности электродвигателя,Поставленная цель достигается тем,что в известное устройство, содержащееэлектродвигатель, постоянного тока, регулируемый вентильный преобразователь,регулятор тока якоря и датчик токаИякоря, введены эталонное апериодическоезвено с обратными связями по коммутационным и динамическим параметрами управляющий элемент, включенный меж 20ду выходом и входом регулятора тока,причем вход эталонного апериодическогозвена подсоединен ко входу регуляторатока якоря, а выход упомянутого звенаподключен к регулирующему входу управИляющего элемента, к которому черездополнительно вверенный инвертирующийусилитель подключен датчик тока якоря.В цепь обратной связи эталонного апериодического звена включен входами переменного тока диодный мост, к выходампостоянного тока которого встречно подключен выход суммирующего усилителя,ко входам которого параллельно присоедииены дополнительный датчик модулянапряжения на якоре через дополнительный первый блок нелинейности - датчиктока возбуждения, а также соединенныйпоследовательно со стабилитроном дополнительный датчик температуры якорныхобмоток. Управляющий элемент выполненв виде блока умножения, один иэ входовкоторого является регулирующим. Управляющий элемент выполнен в виде диодно:- мостовой схемы с транзистором, причемк выходам постоянного тока диодно-мостовой схемы подключен переход эмиттерколлектор транзистора, переход эмиттербаза которого служит регулирующим входомуправляющего элемента, Для измененияпостоянной времени эталонного апериодического звена между его входом и выходом включены входы переменного токавторого диодного моста, к выходам постоянного тока которого присоединенпереход эмиттер-коллектор дополнительного транзистора, а к переходу эмиттербаза последнего подключен дополнительный суммирующий элемент, ко входукоторого параллельно подключены датчикмодуля 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 элементомподключен датчик скорости нарастанияускорения,Сравнение величины, пропорциональной току якоря, с напряжением эталонного звена позволяет уменьшить влияниеизменений параметров контура регулирования якоря от нагрева и изменения магнитного потока,Обратные связи эталонного звена потоку возбуждения и напряжению на якореограничивают предельную величину напряжения эталонного звена в функцииэтих величин, Величина напряжения эталонного звена, а следовательно, и величина тока якоря уменьшается также приперегревах обмотки якоря вследствиедействия датчика температуры обмотокВыполнение управляющего элементав виде блока умножения, ко аходу которого подключены встречно включенные выходы эталонного звена и инвертирующегоусилителя и второй вход которого подключен к выходу регулятора тока якоря,а выход - ко аходу последнего позволяет при напряжекии на выходе эталонногозвена, большем напряжения на выходеинвертирующего усилителя (т.е. при токеякорной цепи, .не достигшем тока задания) иметь положительную обратнуюсвязь между выходом и входом регулятора тока якоря и получать благодаря этэму максимальное напряжение на его выходе, так как коэффициент усиления егопри этом возрастает, а при достижениитоком величины задания обратная связьстановится отрицательной, напряжениерегулятора тока якоря уменьшается, ивеличина тока ограничивается. В результате величина тока якоря строго следуетзаданию на выходе эталонного звенвКогда в качестве управляюшего элемента используется диодно-мостоваясхема, количество элементов, участвуюших в управлении, меньше, но коэффициент усиления регулятора тока меняетсяот нуля до некоторой конечной величины, меньшей, чем при использованииблока умножения.Поскольку схема не имеет интегрирующих звеньев, ее быстродействиеувеличивается. Шунтирование эталонногозвена входами переменного тока диодного моста, к выходам постоянного токакоторого подсоединен транзистор, используемый в качестве регулируемогосопротивления, для чего к его переходу 3 база-эмиттер через суммирующий элемент присоединены обратные связи потоку возбуждения и напряжению ка якоре, обеспечивает изменение постояннойвремени эталонного звена в функции оо О новньк параметров, определявших коммутацию, что, в свою очередь, позволяет регулировать скорость нарастаниятока якоря электродвигателя,Таким же образом огракнчивается 1 ф скорость нарастания ускорения, Включение на вход суммирукипего элемента датчика скорости нарастания ускорения (например, рабочего органа иа тросовой подвеске - ковша экскаватора-драглайна) ф дает возможность избежать чрезмернойскорости нарастания тока и больших динамических нагрузок на электродвигательи механизм в тяжелых режимах и болееполно использовать воэможности электродвигателя в остальных режимах.На фиг, 1 изображено устройство длярегулирования тока якоря электродвигателя; на фиг. 2 - вариант выполненияуправлявшего элемента в виде диодкомостовой схемы.Устройство содержит якорь 1 электродвигателя, регулируемый преобразователь2, регулятор 3 тбка якОр, эталонноеапериодическое звено 4, управляющий 311 элемент 5, а также датчик 6 тока якоря, датчик 7 модуля напряжения на якоре, датчик 8 тока возбуждения, датчик9 температуры якорных обмоток вклкьченный последовательно с пороговым 46элементом, например со стабилнтроком10, датчик 11 скорости нарастанияускорения, включенный последовательнос пороговым элементом, например стабилитроном.: 12. Якорь 1 электродвигателя присоединен с регулируемому преобразователю 2 последовательно с датчиком 6 тока якоря.Ко входу преобразователя 2 присоединен выход регулятора 3 тока якоря иодин из входов (управляющий) управляющего элемента 5, к другому из акодов(регулирующему) его присоединена общаяточка резисторов 13 и 14, Второй конецрезистора 13 соединен с выходом эталонного апериодического звена 4, входкоторого через резистор 15 включен навход регугитора тока якоря. На входерегулятора 3 тока включен резистор 16Датчик 6 тока якоря через инвергируюший усилитель 17 подключен к резистору 14. Между выходом и входом эталонного звена 4 включены входы переменного тока диодного моста 18, к выходам постоян-ф 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 нелиней й ности 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 моду 23 ля напряжения на якоре 1, через второй блок нелинейности 24 подключен датчик 8 тока возбуждения, в также через пороговый элемент, возможным вариантом которого может быть, например стабнлитрон 12, датчик 11 скорости нарастания ускорения рабочего органа иа просо вой подвеске, например ковша экскаватора-драглайна. На фиг. 2, где представлен вариант виполнения управляющего элемента 5, изображена диодно-мостовая схема 25, подключенная входами переменного тока между выходом и входом регулятора 3 тока якоря. К выходам постоянного тока диодно-мостовой схемы 25 подключен переход эмиттер-коллектор транзистора 26, а его переход эмиттер-база служит регулирующим входом управляющего элемента 5. К переходу эмиттер-база 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 31- ко входу потенциального разделителя 28. Оден из выходов переменного тока диодной мостовой схемы 29 соединен с резистором 32 и анодом диода 30, а другой соединен с резистором ЗЗ и катодом диода 31. Вторыеконцы резисторов 32 и 33 соединены между собой и обшей точкой схемы.Устройство работает следующим образом.При отсутствии сигнала на 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 на выходе суммирующего усилителя 19. Ток якоря равен нулю, поэтому напряжение на выходе инвертирующего усилителя 17 также равно нулю; При этом напряжение на регулирукъщем входе управляющего элемента 5 также равно нулю, что независимо от исполнения этого элемента, определяет коэф фициент усиления регулятора тока 3.При поступлении на вход устройства сигнала задания, например положительного, отрицательное напряжение на выходе эталонного.звена 4 начинает расти со скоростью, определяемой постоянной времени этого звена.Одновременно появляется отрицательное напряжение на выходе регулятора 3 тока якоря и напряжение на выходе регулируемого преобразователя 2. Под действием напряжения на выходе преобразователя 2 по обмотке якоря 1 электр- двигателя потечет ток, вследствие чего появляется отрицательное напряжение на 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 передачи 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 фиг2. При использовании варианта схемы с блоком умножения в качестве управляющего элемента при напряжении на выходе эталонного звена по модулю больше, чем напряжение на выходе инвертирующего 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 10который соответствует отставанию величины тока якорной цепи от задания,регулятор 3 тока под действием образовавшейся положительной обратной связивыходит на уровень ограничения напряжения усилителя, т,е. ведет себя какрепейный элемент.При использовании в качестве управляющего элемента 5 схемы фиг. 2 итех же соотношениях модулей и знаковнапряжений потенциал на общей точкекатода диода 30 и резистора 32 становится по отношению к обшей точке схемы отрицательным, что приводит к подаче на базу транзистора 26 через потенциальный разделитель 28 и диодныймост 27 положительного потенциала иувеличению эквивалентного сопротивления транзистора 26; уменьшению обратной связи между входом и выходом регулятора 3 и увеличению напряжения на еговыходе. При этом регулятор 3 можетоставаться на линейной части характе. ристики или перейти на режим насыщения, т.е. вести себя как репейный элемент в зависимости от выбранного соотношения параметров,Под действием увеличенного напряжения на входе преобразователя 2 увеличивается ток якоря 1, напряжение на выходе датчика тока якоря 6 и инвертируюшего усилителя 17.После достижения током якоря заданной величины меняется направлениетока в резисторах 13 и 14 и потенциалих общей точки.В этом случае на управляющий входблока умножения, используемого в качестве управляющего элемента 5, постунает положительный сигнал, а на второйвход - отрицательный, Поэтому междувыходом и входом регулятора 3 образуется отрицательная обратная связь,величина которой будет тем больше,чем больше превышение тока якоря надзаданным уровнем. Таким образом,компенсируется любое отклонение параметров контура регулирования тока якоря, т,е, осуществляется его адаптивноерегулирование. В этом же случае, еслив качестве элемента 5 используется схема фиг. 2, на общей точке резистора33 и катода диода 31 возникает положительный потенциал, поэтому на входпотенциального разделителя 28 напряжение не попадает и транзистор 26 поддействием отрицательного смещения набазе уменьшает свое эквивалентное сопротивление, увеличивается отрицательная обратная связь между выходом ивходом регулятора 3 и ограничиваетсявеличина тока якоря, Таким образом, 3 и в этом случае обеспечивается адаптивное регулирование тока якоря, Если приприменении в качестве элемента .5 блокаумножения поддерживается значение токаякоря немного большее определяемогонапряжением на выходе эталонного звена 4, то благодаря нелинейным свойствамдиодов мостовой схемы 29 и диодов30 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 напряжениемподпора на выходах постоянного токадиодной мостовой схемы 18. Это напряжение подпора создается на выходе суммирующего усилителя 19 в соответствиис законами коммутации в функции напря-жения на выходе первого блока 20 нелинейности, т,е. в функции тока возбуждения, измеряемого датчиком 8 и модулнапряжения на якоре электродвигателя,измеряемого датчиком модуля 7 напряжения.Кроме изменения напряжения эталонного звена по законам коммутации возможно уменьшение напряжения эталонного звена 4 и, следовательно, тока якоряэлектродвигателя при перегревах обмотки,когда напряжение на выходе датчика 9станет больше налряжения открываниястабилитрона 10.Скорость изменения напряжения на 41выходе эталонного звена, а следовательно, и тока якоря электродвигателя, регулируется изменением эквивалентногосопротивления транзистора 22.Изменение эквивалентного сопротивпения транзистора 22 происходит вследствие изменения напряжения на выходеусилителя 23 в соответствии с законами коммутации, так как ко входу усили Ютеля 23 присоединены выход датчикамодуля напряжения на якоре 7 и черезвторой блоМ 24 нелинейности датчик тока возбуждения. Кроме того, недопустимая высокая скорость нарастания ускоре- Иния может привести к ряду повреждений,в том числе муфты электродвигателя,поэтому скорость нарастания тока ограничивается и по этому параметру припомощи датчика 11 и стабищитрона 12При достижении напряжением на выходе эталонного звена 4 максимально допустимого значения напряжение на выходе диодного моста 18 становится больше напряжения на выходе суммирующего уси 3 лителя 10, вследствие чего через внутреннее сопротивление последнего потечет ток и, в результате образовавшейся обратной отрицательной связи между входом и выходом эталонного звена 4 егоо напряжение перестает расти. Эталонное звено 4 в этом режиме играет роль источника переменного напряжения сравнения. В результате и в этом режиме ве 33 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 магнитного потока, формируемого на выходе первого блока 2 О 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, а на входе регулятора тока 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 этогонапряжения определяется постоянной времени эталонного звена и скоростью изменения напряжения на входе.При переходе в тормозной режим про 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 изобретения1. Устройство для регулирования тока якоря электродвигателя, содержащее электродвигательпостоянного 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 покоммутациоиным и динамическим параметрам и улравляющий элемент, включенный между выходом.и входом регулятора тока якоря, причем вход эталонногоапериодического 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 щ е е с я тем, что в цепь обратной связи эталонного апериодического звена входами переменного тока включен диод 656169 14ный 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 блокаумножения, один из входов которого является регулирующим,4. Устройство по пп. 1 и 2, о тл и ч а ю ш е е с я тем, что управляющий элемент выполнен в виде диодно-. мостовой схемы с транзистором, причем к выходам постоянного тока диодно-мостовой схемы подключен переход эмиттерколлектор транзистора, переход эмиттербаза которого служит регулирующим входом управляющего элемента.5. Устройство по пп. 1-4, о т л ичающееся тем,что,сцельюизменения постоянной времени эталонного апериодического звена, между его входоми выходом включены входы переменноготока второго диодного моста, к выходампостоянного тока которого присоединен ф переход эмиттер-коллектор дополнительного транзистора, а к переходу эмиттербаза последнего подключен дополиительный суммирующий элемент, ко входу которого параллельно подключены датчик й модуля напряжения на якоре и выходвторого 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 входудополнительного суммирующего элементапоследовательно с пороговым элементомподключен датчик скорости нарастанияускорения.Источники информации, принятые вовнимание нри экспертизе1. Журнал фйещепз 2 е 1 всЬМН",В 42, 1968, Х 9, 765-868.2. Гарпов В. К. и др. Унифицированные системы автоматического управленияэлектроприводом в металлургии, М.,фМеталлургия, 1971, с. 84-86.,Составитель В. ТкаченкоРедактор В. фельдман Техред О, Андрейко Корректор Д. МельниченкоЗаказ 1543/45 Тираж 856 ПодписноеЦНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5филиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4