Устройство улучшения коммутации коллекторных электрических машин

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 801153377 Д Н 02 К 13/14 ИЕ ИЭ Е ПИСАН АВТОРСКОМ СТ ВИДВТ(56) 1. АФ 315250,2. Авт974505,(54) (57) УСТРОЙСТВО УЛУЧШЕНИЯ КОММУТАЦИИ КОЛЛЕКТОРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАИН, содержащее управляемый усилитель с выводами для подключения кобмотке дополнительных полюсов, датчик тока коммутируемой секции, выполненный в виде вспомогательной секции, предназначенной для укладкирядом с основной секцией обмотки якоря, о т л и ч а ю щ е е с я тем,что, с целью повышения точности автоматической настройки коммутации насередину области беэыскровой работыи помехоэащищенности, устройствоснабжено блоком интегрирования, узлом формирования импульсов, выполненным в виде последовательно включенных дискретного датчика угла поворота и трех одновибраторов, узлом Формирования сигнала модели желаемогохарактера комм; тации, выполненнымиз включенных последовательно блока юче ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР Г 1 О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ 2226/24-078.834.85, Бюл. В 16Елшанский, А.М, Абакумоотков и В.Е. Антроповышевский ордена ТрудовогЗнамени политехническийим. В.В,Куйбышева313.2(088,8)вторское свидетельство ССкл. Н 02 К 23/24, 1969,орское свидетельство СССРкл. Н 02 К 13/ 14, 1981,памяти, управляемого блока интегрирования, блока сравнения, второго блока интегрирования, датчиком цериода коммутации с включенным после. довательно вторым блоком памяти, а также вторым блоком сравнения и третьим блоком памяти, при этом выход датчика тока коммутируемой секции подключен к информационным входам первого блока памяти и первого блока интегрирования, обнуляющий вход последнего объединен с обнуляющими входами управляемого блока интегрирования, второго блока интегрирования и подключен к выходу второго одновибратора, выход третьего Я одновибратора соединен с обнуляющим входом датчика периода коммутации, выход первого одновибратора подкл н к объединенным входам переписи пер- Сю вого, второго и третьего блоков памяти, выход второго иэ них соединен с управляющим входом управляемого ффеф блока интегрирования, информационный Вффф 4 вход которого подключен к второму Д входу первого блока сравнения, инфор- фф мационный вход третьего блока памяти фр соединен с выходом второго блока сравнения, первый вход которого подключен к выходу второго блока интегрирования, а второй вход второго блока сравнения соединен с выходом первого блока интегрирования, выход же третьего блока памяти через управляемый усилитель подключен к обмотке дополнительных полюсов.1153377 Недостатки известного устройства ниэкие точность и помехозащищенность.Целью изобретения является повышение точности автоматической настройки коммутации на середину области безыскровой работы коллекторной электрической машины и помехозащищенности.Укаэанная цель достигается тем, что устройство, содержащее управляемый усилитель с выводами для подключения к обмотке дополнительных полюсов, датчик тока коммутируемой секции, выполненный в виде вспомогательной секции, предназначенной для укладки рядом с основной секцией обмотки якоря, снабжено блоком интегрирования, узлом формирования импульсов (УФИ), выполненным в виде последовательно включенных дискретного датчика угла поворота и трех одновибраторов, узлом формирования сигнала модели (УФСМ) желаемого характера коммутации, выполненным из включенных ИэоГретецце относится к электромашиностроению, а именно к устроцствам улучшения коммутации коллекторцыхэлектрических машин путем настройкидополнительных полюсов на серединуобласти безыскровой работы, и можетбыть использовано при разработкеавтоматических устройств, обеспечивающих оптимальные условия коммутации электрических машин,Известны устройства улучшениякоммутации, основанные на изменениитока дополнительных полюсов 1 з.Функциональные возможности известных устройств ограничены необходимостью установки тока подпитки вкажпом конкретном случае при испытании, возможностью использования только при настройке коммутации послеизготовления машины. Кроме того,данные устройства характеризуютсясложностью автоматизации процессанастройки.Наиболее близким к изобретению потехнической сущности и достигаемомурезультату является устройство улучшения коммутации коплекторных электрических машин, содержащее управляемый усилитель, подключенный к обмотке дополнительных полисов, датчик тока коммутиру емой секции, выполненныйв виде вспомогательной секции, уложенной рядом с основной секцией обмотки якоря 2 3. последовательно блока памяти, управляемого блока интегрирования, блокасравнения, второго блока интегрирования, датчиком периода коммутации свключенным последовательно вторымблоком памяти, а также вторым блоком сравнения и третьим блоком памяти, при этом выход датчика тока коммутируемой секции подключен к ицфор О мационным входам первого блока памяти УФСМ и первого блока интегрирования, обнуляющий вход которого объединен с обнуляющими входами управляемого блока интегрирования УФСМ, второго 15 блока интегрирования того же узлаи подключен к выходу второго одцовибратора УФИ, выход третьего одновибратора соединен с обнуляющим входомдатчика периода коммутации, выход 20 первого одновибратора подключен кобъединенным входам переписи первого,второго и третьего блоков памяти,выход второго из них соединен с управляющим входом управляемого блокаинтегрирования, информационный входкоторого подключен к второму входупервого блока сравнения, информационный вход третьего блока памяти соединен с выходом второго блока сравне ция, первый вход которого подключен квыходу второго блока интегрирования,а второй вход второго блока сравнениясоединен с выходом первого блока интегрирования, выход же третьего блокапамяти через управляемый усилительподключен к обмотке дополнительныхполюсов.На фиг. 1 показаны различные формы изменения тока в коммутируемой 40 секции (кривая 1 соответствует изменению тока секции при прямолинейной(безыскровой) коммутации, кривая 2 -замедленной коммутации, кривая 3 -ускоренной); на фиг.2 и 3 - формиро-, 45 вание сигнала, моделирукнцего прямолинейный закон коммутации при изменениитока якоря и частоты вращения машины; на фиг.4 - функциональная схемаустройства; на фиг.5 - упрощенная 0 электрическая схема элементов устройства. Линейно изменяющийся электрическийсигнал, моделирующий прямолинейный закон коммутации, задается с постоянным коэффициентом наклона. Очевидно, что линейно изменяющийся сигнал (кривая 1 на фиг. 1) с постоянным коэффициентом наклона может служить моделью прямолинейного закона коммутации только при постоянном значении периода коммутации, т.е. при постоянной частоте вращения машины и при постоянной величине тока якоря (или пропорциональной ему величинетока параллельной ветви). При изменении частоты вращения прямая с неизменным коэффициентом наклона может значительно отличаться от зависимости, соответствующей прямолинейному закону коммутации. Кроме того, ошибка в моделировании прямолинейного закона коммутации в известном способе появляется и при изменении тока якоря (т.е. и величины тока параллельной ветви ц). Таким образом, вследствие того, что в известном способе модель прямолинейного характера коммутации задается беэ учета текущих значений тока якоря машины и периода коммутации, точную настройку коммутации можно обеспечить только при постоянной величине тока якоря и неизменной частоте вращения, При изменении указанных величин будет возникать значительная ошибка в настройке коммутации на середину области беэыскровой работы машины.При управлении процессом коммутации в течение периода коммутации Тк (фиг.1) осуществляется интегрирование в функции времени сигнала, пропорционального действительному значению тока коммутируемой секции (кривая 2 или 3), и сигнала, моделирующего прямолинейный характер коммутации (кривая 1), а сигнал ошибки, в функции которого осуществляется изменение тока дополнительных полюсов, формируется в результате сравнения интегральных значений сигналов за период коммутации, При этом сигнал ошибки пропорционален площади (области), заключенный между кривой 2 (или 3) и кривой 1 (фиг.1), и его модуль и знак характеризуют интегральное отклонение действительного процесса коммутации от желаемого прямолинейного. Благодаря тому, что осуществляется измерение интегрального отклонения за период коммутации, высокочастотные помехи, наложенные на кривую, характеризующую действительный процесс коммутации, в значительной степени отфильтровываются. Это обстоятельство обеспечивает высокую помехозащищенностьмашины (кривая 7). При этом зависимость, моделирующая 50 . делаемый (в данном случае прямолиней 55 5 1 О 5 20 25 30 35 при управлении процессом коммутации.Кроме того, моделирование прямолинейного характера коммутации осуществляют с учетом значения тока коммутируемой секции (или пропорционального ему тока якоря) и с учетом текущего значения частоты вращения машины, При постоянной частоте вращения машина (а, следова; тельно, постоянном значении периода коммутации Т ) наклон моделирующей кривой изменяют пропорционально текущему значению тока секции, т.е. и тока параллельной ветви 1 г (фиг.2). Так, если при некотором значении токасигнал, моделирующий желаемый (например, прямолинейный) характер коммутации, имеет вид кривой 4, то при возрастании тока секции до значениянаклон моделирующей кривой (скорость изменения сигнала) увеличивают (кривая 5). При изменении частоты вращения машины, а следовательно, и периода коммутации Т, скорость изменения сигнала, моделирующего желаемый характер коммутации, изменяют пропорционально изменению частоты вращения машины. При некоторой частоте вращения машины период коммутации равен Т(Фиг.З), и моделирующий сигнал имеет вид кривой 6. При возрастании частоты вращенияпериод коммутации уменьшится: до некоторого значения 1 , и наклон моделирующей кривой увеличивают пропорционально изменению частоты вращения Возможность существенного повышения точности настройки дополнительных полюсов машины может быть пояснена на следующем примере. Предположим, при некотором значениитока параллельной ветви 1 щэи периодекоммутация Т обеспечена точнаянастройка дополнительных полюсов насередину области беэыскровой работы машины с помощью известного способа. ный) закон коммутации, имеет видкривой 6 на фиг.З. Предположим, чточастота вращения машины возросла ипериод коммутации уменьшился до значения 1 з . Кривая, моделирующая желаемый закон коммутации, останетсянеизменной (кривая 6). В результате,даже при действительном прямолиней 3 1153 ,ном характере изменения коммутируе 1 мого тока (кривая 7 на фиг,З) процесс будет оцениваться как ускоренная коммутация, т.е, появится сигнал рассогласования (ошибки),пропорциональный разности ординат кривых 6 и 7, и, следовательно, будет подаваться сигнал на изменение тока дополнительных полюсов. При широком диапазоне изменения частоты вращения, т,е. и перно да Т, изменения сигнала рассогласования могут быть весьма значительными, что может привести к смещению процесса коммутации иэ области бызыскровой работы. В случае изменения периода коммутации изменяют вид кривой, моделирующей желаемый характер процесса коммутации (она приобретает вид кривой 7 на фиг,З), и сигнал ошибки в20 этом случае будет иметь место только в случае отклонения процесса коммутации от желаемого.Устройство улучшения коммутации25 коллекторных электрических машин (фиг.4) содержит датчик 8 тока коммутируемой секции, выход которого соединен с информационным входом блока 9 интегрирования, на выходе которого формируется сигнал, характеризующий ЗО действительный процесс коммутации. Выход датчика 8 соединен также с информационным входом блока 10 памяти, являющимся входом узла формирования сигнала, пропорционального желаемому 3 (например, прямолинейному) закону изменения тока коммутируемой секции. Указанный узел, который может быть определен также как узел формирования сигнала модели, состоит из вклю ченных последовательно блока 10 памяти, управляемого блока 11 интегрирования, блока 12 сравнения, блока 13 интегрирования. Кроме того, в состав узла входит датчик 14 периода комму тации с включенным последовательно с яим блоком 15 памяти, выход которого соединен с управляющим входом управляемого. блока 11 интегрирования, К выходу дискретного датчика 16 0 угла поворота подключен вход одновибратора 17, являющегося первым из трех последовательно соединенных одновибраторов 17, 18 и 19, образую-. щих совместно с датчиком угла пово рота узел формирования импульсов, Выход блока 13. интегрирования подключен к первому входу блока 20 сравне 37ния, второй вход которого соединен с выходом блока 9 интегрирования, а выход блока 20 сравнения подключен к входу блока 21 памяти. Выход одновибратора 19 соединен с обнуляющим входом датчика 14 периода коммутации, а обнуляющие входы блоков 9, 11 и 13 интегрирования объединены и подключены к выходу одновибратора 18. Выход одновибратора 17 соединен с входами переписи блоков 10, 15 и 21 памяти, а выход последнего через управляемый усилитель 22 мощности подключен к основной или вспомогательной обмотке 23 дополнительных полюсов.Управление процессом коммутации осуществляется на основании сигнала, пропорционального интегральному отклонению действительного процесса от желаемого за период коммутации, Выявление сигнала рассогласования за указанный период осуществляется в устройстве следующим образом.В течение периода коммутации с помощью блока 9 интегрируется сигнал, пропорциональный действительному току коммутируемой секции, снимаемый с датчика 8. Одновременно интегрируется сигнал, пропорциональный делаемому закону изменения тока коммутируемой секции, Указанные сигналы с выходов блоков 9 и 13 интегрирования поступают на входы блока 20 сравнения, и в конце периода коммутации на выходе этого блока формируется сигнал, пропорциональный интегральному отклонению действительного процесса коммутации от делаемого. Этот сигнал запоминается блоком 21и поступает на вход управляемого усилителя 22.Сигнал, соответствующий желаемому закону изменения тока коммутируемой секции, создается и интегрируется в УФСМ, Узел формирования импульсов (УФИ) служит для выработки импульсных сигналов, соответствующих началу и окончанию периода процесса коммутации. Работа этих узлов протекает следующим образом.В начале текущего периода коммутации блоком 10 запомнено текущее значение тока коммутируемой секции, измеренного датчиком 8 (см. 1 ц на фиг.1). Блоки 9, 11 и 13 интегрирования обнулены. В результате интегрирования сигнала с блока 10 памяти интегратором 11 на его выходе форФ1153377 мируется линейно изменяющийся сигнал. На блоке 12 сравнения этотсигнал суммируетс со значениемзапомненным блоком 10. В результатена выходе блока 12 формируется линейно изменяющийся сигнал, соответствующий желаемому закону изменениятока коммутируемой секции. Интегрирование этого сигнала производитсяблоком 13, с выхода которого сигнал 10(сигнал модели) поступает на один извходов блока 20 сравнения, На выходеблока 20 к концу периода коммутацииобразуется сигнал, пропорциональныйразности интегралов сравниваемыхблоком 20 сигналов действительно(с выхода блока 9 интегрирования) ижелаемого законов изменения тока коммутируемой секции, т.е. сигнал ошибки. Этот сигнал при поступлении импульса переписи с выхода блока 17переписывается в блок 21 памяти,и в функции этого запомненного сигнала ошибки через усилитель 22 осуществляется управление:током основной 25или вспомогательной обмотки 23 дополнительных полюсов. Далее импульсным сигналом с блока 17 осуществляется перепись значения тока коммутируемой секции в начале следующего перио да коммутации (-1 на фиг.1), послечего импульсным сигналом с выходаблока 18 производится обнуление блоков 9, 11 и 13 интегрирования и про-цессы в устройстве протекают анало 35гично,Поясним подробнее процесс формирования сигнала модели при изменениивеличины тока коммутируемой секции,вращения машины).Предположим, что при некоторойчастоте вращения машины ыи, следовательно, периоде коммутации ТК 1 4значение тока параллельной ветви равно (фиг.2). Сигнал на выходе управляемого блока 11 интегрированиябудет определяться выражением1 ТК сатьвая 7 на фиг.З). Для автоматического 50 управления постоянной интегрирования блока 11 в устройстве с помощьюблоков 14 и 5 осуществляется формирование сигнала, пропорциональногодлительности периода коммутации.Датчик 14 периода коммутации,представляющий собой интегратор,на вход которого подан постоянныйсигнал, к началу текущего периода где Т О, в .постоянная интегрирования; - напряжение, пропорциональное значению тока, поступающее на вход блока 1 1 с выхода блока 10 памяти. Учитывая, что в течение периода коммутации Тк Ь = сопзС, можно запиНа выходе блока 12 сравненияполучается сумма выходньх сигналовблоков 10 и 11 что соответствует сигналу модели(например, кривая 4 на фиг.2). Принекотором большом значении тока(фиг.2) на выходе блока 10 сигналпринимает значение 02)О, и сигналмодели описывается выражением что соответствует кривой 5 на фиг,2, Таким образом, при и) = сопя н изменении тока якоря (следовательно,и д) в устройстве автоматически обеспечивается необходимая .перестройка сигнала модели.Для обеспечения автоматической перестройки сигнала модели при изменении частоты вращения ы машины (т.е. периода коммутации 1 ) в устройстве осуществляется изменение постоянной интегрирования Т и управляемого блока 11 интегрирования, Например, при токе 1 с, и периоде коммутации Т (фиг.З), соответствующего частоте вращения ц, постоянная интегрирования блока 1 имеет некоторое значение Т . При возрастании частоты вращения ы до некоторого значения И период коммутации уменьшается до.величины Т ; При этом сигналом, поступающим с выхода блока 15 памяти, автоматически уменьшается постоянная интегрирования Тд до значения Тз, в результате чего увеличивается скорость изменения сигнала модели (кри10 1153377 9коммутации обнулен. В течение периода коммутации на его выходе формируется линейно изменяющийся сигнал, значение которого в конце периода коммутации пропорционально величине Т . 5В конце каждого периода это значениеимпульсным сигналом переписи с выходаблока 17 переписывается в блок 15памяти и поступает с выхода последнего на управляющий вход управляемогоблока 11 интегрирования. Обнулениеблока 14 в начале периода коммутацииосуществляется импульсным сигналомс блока 19,Формирование импульсных сигналов,обеспечивающих обнуление блоков интегрирования и перепись информации вблоки памяти, осуществляется в узлеФормирования импульсов, содержащемдискретный датчик 16 угла поворота 20и последовательно соединенные одновибраторы 17, 18 и 19. Дискретныйдатчик угла поворота содержит оптически непрозрачный диск с радиальнымищелевыми прорезями, закрепленныйна валу машины, а также оптроннуюпару 1,источник излучения и фотоприемник), При вращении диска происходитпериодическое открытие оптическогоканала оптронной пары, в результате 30чего на выходе фотоприемника формируются импульсы. Моменты возникновения импульсных сигналов синхронизированы с моментом начала периода коммутации, С помощью одновибраторовиз сигнала Фотоприемника формируютсяпрямоугольные импульсы, сдвинутыепо времени, что обеспечивает описанную последовательность операций обнуления и переписи. 40Датчик 14 периода коммутации(Фиг,5) представляет собой интегратори выполнен на операционном усилителе24, в цепи обратной связи котороговключен конденсатор 25.Обнуление этого интегратора осуществляется замыканием управляемого ключа 26, управляющий вход которого подключен квыходу блоха 19. Блбк 15 памяти выполнен на операционном усилителе 27, 50охваченном обратной связью и содержащим конденсатор 28 и ключ 29. Перепись информации в блок 15 осуществляется кратковременным замыканиемуправляемого ключа 29 импульсным , 55 сигналом, постулающим на его управляющий вход с выхода блока 17. Управляемый блок 11 интегрирования реализован на операционном усилителе 30 и содержит в цепи обратной связи конденсатор 31 и управляемый ключ 32. На входе этого операционного усилителя включено управляемое сопротивление, в качестве которого использован полевой транзистор 33. Величина сопротивления этого транзистора определяется сигналом, поступающим на его затвор с блока 15 памяти. В зависимости от величины сигнала с блока 15 изменяется активное сопротивление К транзистора 33 и тем самым задается необходимая величина постоянной интегрирования блока 11 Т, = = КС . Обнуление этого блока осуществляется кратковременным замыканием ключа 32, управляющий вход которого соединен с выходом блока 18Информационный вход блока 11 подключен к выходу блока 10 памяти. Блок 12 сравнения реализован на суммирующем операционном усилителе 34, в цепи обратной связи которого включено активное сопротивление 35, Входные сигналы на блок 12 поступают с выходов блоков 10 и 11 и через резисторы 36 и 37, а его выходной сигнал поступает на информационный вход блока 13 интегрирования.Ключи в схеме устройства выполнены на транзисторах, работающих в ключевом режиме. Блоки 9 и 13 интегрирования реализованы аналогично блоку 14, Блоки 10 и 21 памяти выполнены аналогично блоку 15, Одновибраторы 17, 18 и 19 реализованы на интегральных элементах. Таким образом, применение предлагаемого устройства улучшения коммутации коллекторных электрических машин за счет изменения тока дополнительных полюсов благодаря использованию новых блоков и связей позволяет повысить точность автоматической настройки коммутации на середину области безыскровой работы машины особенно в условиях, когда частота вращения и ток якоря могут изменяться в значительном диапазоне, а также обеспечить помехозащищенность устройств.