Электропривод постоянного тока с экстремальным управлением
Устройство содержит источник питания 1, датчик общего тока 2, преобразователь тока якоря 3 и преобразователь тока возбуждения 4, датчик тока якоря 5, двигатель постоянного тока 6, тахогенератор 7, регулятор тока якоря 8, датчик тока возбуждения 9, обмотку возбуждения двигателя 10, регулятор тока возбуждения 11, и экстремальный регулятор 12. Источник питания 1 связан выходом с силовым входом преобразователя тока обмотки возбуждения 4 и силовым входом преобразователя тока якоря 3, подключенного выходом к обмотке якоря двигателя 6 через датчик тока 5, соединенного выходом с первым входом регулятора тока якоря 8, подключенного выходом к управляющему входу преобразователя тока якоря, а вторым входом - к выходу тахогенератора 7, расположенного на валу двигателя. Экстремальный регулятор 12 подключен входом к выходу датчика общего тока 2, а выходом - к первому входу регулятора тока возбуждения 11, второй вход которого соединен с выходом датчика тока возбуждения 9. Экстремальный регулятор может быть реализован как на аналоговой элементной базе, так и на ПЛК. 3 илл.
Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники и может использоваться для управления электроприводами на основе двигателей постоянного тока с независимым возбуждением.
Известно устройство для управления двигателем постоянного тока, содержащее источник питания, тахогенератор и преобразователи постоянного тока для питания обмотки якоря и обмотки возбуждения (Общий курс электропривода: Учебник для вузов / М.Г. Чиликин, М: Энергоиздат, 1981. - с. 485).
Недостатком такого устройства является то, что ток в обмотке возбуждения не зависит от режима работы привода. Это приводит к снижению КПД двигателя.
Наиболее близким к предлагаемому решению является устройство для управления двигателем постоянного тока, содержащее источник питания, связанный выходом с силовым входом преобразователя тока обмотки возбуждения и силовым входом преобразователя тока якоря, подключенного выходом к обмотке якоря двигателя через датчик тока, соединенного выходом с первым входом регулятора тока якоря, подключенного выходом к управляющему входу преобразователя тока якоря, а вторым входом - к выходу тахогенератора, расположенного на валу двигателя (Преобразователи на тиристорных блоках БВП для электроприводов постоянного тока / С.Р. Резинский, М.: Энергоатомиздат, 1983. - с. 28). Данное устройство также не обеспечивает изменение токов двигателя в зависимости от режима работы, скорости и нагрузки, что снижает энергетические характеристики.
Техническая задача состоит в уменьшении потребляемого тока двигателя. Технический эффект, возникающий при решении технической задачи, состоит в уменьшении тока возбуждения для случаев, когда двигатель работает с малой нагрузкой, и достигается тем, что в известное устройство для управления двигателем постоянного тока, содержащее источник питания, связанный выходом с силовым входом преобразователя тока обмотки возбуждения и силовым входом преобразователя тока якоря, подключенного выходом к обмотке якоря двигателя через датчик тока, соединенного выходом с первым входом регулятора тока якоря, подключенного выходом к управляющему входу преобразователя тока якоря, а вторым входом - к выходу тахогенератора, расположенного на валу двигателя, согласно полезной модели введены регулятор тока возбуждения, датчик общего тока, датчик тока возбуждения и экстремальный регулятор, подключенный входом к выходу датчика общего тока, а выходом - к первому входу регулятора тока возбуждения, второй вход которого соединен с выходом датчика тока возбуждения.
Устройство поясняется чертежами, где на:
фиг. 1. - приведена функциональная схема устройства для управления двигателем постоянного тока;
фиг. 2. - временная диаграмма момента нагрузки двигателя;
фиг. 3. - зависимость тока возбуждения от общего потребляемого тока.
Устройство содержит источник питания 1, датчик общего тока 2, преобразователь тока якоря 3 и преобразователь тока возбуждения 4, датчик тока якоря 5, двигатель постоянного тока 6, тахогенератор 7, регулятор тока якоря 8, датчик тока возбуждения 9, обмотку возбуждения двигателя 10, регулятор тока возбуждения 11, и экстремальный регулятор 12.
Источник питания 1 связан выходом с силовым входом преобразователя тока обмотки возбуждения 4 и силовым входом преобразователя тока якоря 3, подключенного выходом к обмотке якоря двигателя 6 через датчик тока 5, соединенного выходом с первым входом регулятора тока якоря 8, подключенного выходом к управляющему входу преобразователя тока якоря, а вторым входом - к выходу тахогенератора 7, расположенного на валу двигателя. Экстремальный регулятор 12 подключен входом к выходу датчика общего тока 2, а выходом - к первому входу регулятора тока возбуждения 11, второй вход которого соединен с выходом датчика тока возбуждения 9.
Устройство работает следующим образом.
Источник питания 1 подключается к сети постоянного или переменного тока, что несущественно для настоящего предложения. Существенно, что на выходе преобразователя тока якоря 3 и преобразователя тока возбуждения 4 вырабатывается регулируемое напряжение постоянного тока. Изменение тока якоря осуществляется с помощью преобразователя тока якоря 3. Преобразователь тока якоря 3 охвачен обратной связью по току через датчик тока 5, установленный в якорной цепи, а также обратной связью по скорости с помощью тахогенератора 7. Если нагрузка на вал двигателя повышается, то система управления током якоря повышает якорный ток.
Преобразователь тока возбуждения 4 соединен с регулятором тока возбуждения 11, который ограничивает ток возбуждения до номинального режима. При падении нагрузки на вал двигателя, экстремальный регулятор 12 понижает ток возбуждения. Экстремальный регулятор 12 может быть реализован как на аналоговой элементной базе, так и на программируемом логическом контроллере (ПЖ). Существенно, что он регулирует величину задания на ток возбуждения в зависимости от показаний с датчика общего тока 2. Это влечет за собой изменение общего потребляемого тока, что приводит к повышению энергетических показателей привода.
Предлагаемое техническое решение позволяет значительно повысить энергетические показатели в электроприводах, работающих краткое время на номинальных нагрузках и длительное время на малых. Нагрузочная диаграмма подобной системы представлена на фиг. 2.
Как видно из представленной нагрузочной диаграммы, период работы двигателя на максимальных нагрузках, где действует момент сопротивления Мс1, в несколько раз меньше, чем период работы двигателя на малых нагрузках, когда на двигатель оказывает воздействие только момент сопротивления Мс2. Такой тип электропривода часто встречается в промышленности, например в прессовых станках, которые лишь в небольшом временном диапазоне развивают максимальный момент.
Повышение энергетических показателей электропривода связано с тем, что зависимость общего потребляемого тока системой I
тока возбуждения IB имеет вид параболы. Однако, как показано на фиг. 3, точка минимального значения I для каждого действующего на вал двигателя момента сопротивления единственна и уникальна.
Таким образом, нет общей точки, обеспечивающей оптимальные показатели энергопотребления для всех действующих на вал двигателя нагрузок. Задача экстремального регулятора в предлагаемой системе - находить экстремум, при котором потребляемый ток I минимален, воздействуя на преобразователь тока возбуждения и, тем самым, меняя величину тока возбуждения.
Параболическая зависимость общего потребляемого тока и тока возбуждения обусловлена двумя формулами, связывающие общий ток I и ток возбуждения IB, а также момент, развиваемый двигателем. Связь общего тока I и тока возбуждения IB показана на формуле 1.
Как видно, момент зависит от тока якоря IЯ и тока возбуждения, который определяет величину потока. В известной системе величина тока возбуждения остается постоянной, независимо от того, какая нагрузка действует на вал двигателя. Ток якоря же напрямую зависит от нагрузки и уменьшается, при неизменном токе возбуждения, прямо пропорционально нагрузке.
Общий потребляемый ток в системе - это сумма тока возбуждения IB и тока якоря IЯ. Эта зависимость отражена в формуле 2.
,
Таким образом, видно, что изменяя величину тока возбуждения можно добиться значительной экономии потребляемого тока, исходя из выше указанных формул 1 и 2.
Устройство для управления двигателем постоянного тока, содержащее источник питания, связанный выходом с силовым входом преобразователя тока обмотки возбуждения и силовым входом преобразователя тока якоря, подключенного выходом к обмотке якоря двигателя через датчик тока, соединенного выходом с первым входом регулятора тока якоря, подключенного выходом к управляющему входу преобразователя тока якоря, а вторым входом - к выходу тахогенератора, расположенного на валу двигателя, отличающееся тем, что введены регулятор тока возбуждения, датчик общего тока, датчик тока возбуждения и экстремальный регулятор, подключенный входом к выходу датчика общего тока, а выходом - к первому входу регулятора тока возбуждения, второй вход которого соединен с выходом датчика тока возбуждения.
