Электропривод постоянного тока

 

Использование: в электроприводах мощных машин с динамическими режимами работы. Сущность: путем введения усилителей 4, 5 мощности, функциональных преобразователей 10, 11, пяти перемножителей 13-18 и трех сумматор з 20-21 получен электропривод с точным формированием оптимальных значений токов обмоток якоря и возбуждения, что снижает потребляемую от сети мощность и повышает надежность электродвигателя в связи со снижением температуры его обмоток. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (! 9) (11) (s1)s H 02 Р 5/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ДЯ

,щ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4884291/07 (22) 21.11.90 (46) 07,10.92. Бюл. ¹ 37 (71) Казанский авиационный институт им, А.Н.Туполева (72) А.Ю.Афанасьев (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 663052, кл. Н 02 P 5/06, 1979, (54) ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО

ТОКА (57) Использование: в электроприводах мощных машин с динамическими режимами работы, Сущность: путем введения усилителей 4, 5 мощности, функциональных преобразователей 10, 11, пяти перемножителей

13-18 и трех сумматор з 20 — 21 получен электропривод с точным формированием оптимальных значений токов обмоток якоря и возбуждения, что снижает потребляемую от сети мощность и повышает нарежность электродвигателя в связи со снижением температуры его обмоток. 3 ил.

1767684

45

Изобретение относится к электротехнике, а именно к регулируемому электроприводу постоянного тока, и может быть использовано в электроприводах различных мощных машин и механизмов. для которых характерны динамические режимы работы.

Известен вентильный электропривод постоянного тока с двухфазным регулированием скорости, содержащий регулятор угла управления вентилями, охваченный цепью обратной связи через блок ограничения с характеристикой типа "зона нечувствительности", и регулятор возбуждения двигателя, причем выход блока ограничения угла управления соединен с входом регулятора возбуждения, Недостатком этого электропривода является разделения диапазона регулирования на зоны, в одной из которых регулирование ведется bio каналу якоря, а в другой — по каналу возбуждения, что не обеспечивает минимума суммарных потерь, Известен электропривод постоянного тока, содержащий датчики тока возбуждения и напряжения на якоре, последовательно соединенные датчик скорости, функциональный преобразователь, блок перемножения с подключенным к его второму входу датчиком тока якоря, ограничитель сигнала и включенный на его выходе регулятор возбуждения, выполненный как регулятор потока с датчиком потока, а к входу регулятора возбуждения через элемент с зоной нечувствительности подключен выход датчика напряжения на якоре.

Его недостатками являются необходимость в специальном сложном датчике потока возбуждения, также невысокая точность минимизации потерь в двигателе, связанная с приближенной линейной аппроксимацией оптимальных соотношений между током якоря и потоком возбуждения.

Наиболее близок к предлагаемому электропривод постоянного тока, содержащий электродвигатель постоянного тока с якорем и обмоткой возбуждения, усилитель мощности, датчик тока якоря, датчик тока возбуждения, датчик скорости электродвигателя, функциональный преобразователь перемножитель, операционный усилитель с тремя входами и датчик напряжения на якоре, Датчик тока якоря включен последовательно с обмоткой якоря электродвигателя, механически связанного с ротором датчика скорости электродвигателя, Его выход подключен к входу функционального преобразователя, выход которого подключен к входу перемножителя, Его второй вход подключен к выходу датчика тока якоря, а выход

35 — к второму входу операционного усилителя, Его первый и третий входы подключены к выходам датчика тока возбуждения и датчика напряжения на якоре соответственно, а выход подключен к входу усилителя мощности, выход которого подключен к обмотке возбуждения через вход датчика тока возбуждения.

Недостаток этого электропривода— низкие энергетические характеристики, Цель изобретения — улучшение энергетических характеристик путем формирования оптимальных значений токов обмоток якоря и возбуждения из условия получения требуемого электромагнитного момента при минимальных суммарных электрических и магнитных потерях.

Указанная цель достигается тем, что в электропривод постоянного тока, содержащий электродвигатель постоянного тока, обмотка возбуждения которого подключена к усилителю мощности, датчик тока якоря и датчик тока возбуждения, выход которого подключен к первому усилителю мощности, операционный усилитель, последовательно соединенные датчик скорости электоодвигателя, первый функциональный преобразователь и первый умножитель, введены второй усилитель мощности, два функциональных преобразователя, пять перемножителей и три сумматора, второй вход первого перемножителя подключен к входам второго, третьего перемножителей и выходу второго функционального преобразователя, а выход подключен к инвертирующему входу третьего сумматора и выходу четвертого перемножителя, выход третьего сумматора подключен к второму входу второго перемножителя, второй вход четвертого перемножителя подключен к выходу первого сумматора, первый вход которого подключен к выходу датчика скорости, а выход четвертого перемножителя подключен к инвертирующему входу второго сумматора, его второй вход подключен к выходу пятого перемножителя, а выход — к входу шестого, второй вход которого подключен к выходу третьего функционального преобразователя, а выход — к входам второго, третьего функциональных преобразователей, выход второго перемножителя подключен к второму инвертирующему входу операционного усилителя, первый вход которого является входом электропривода с входным сигналом, равным требуемому электромагнитнс му моменту, а выход подключен к входу пятого перемножителя, его выход подключен к вторым входам пятого перемножителя и третьего сумматора, выходы шестого, третьего перемножителей, подключены к

1767684 входам первого и второго усилителей мощности, к второму входу которого подключен датчик тока якоря, выход второго усилителя мощности подключен к якорю электродвигателя, причем первый, второй, третий фун- 5 кциональные преобразователи выполнены с возможностью реализации функций;

g(N) = f1(N), Ф (! ь) = f2(ib) 10

Ф ((ь ) — — — ь- - — fa(ibj, dib где в — частота вращения электродвигателя;

ib — ток обмотки возбуждения;

Ф вЂ” основной магнитный поток электродвигателя с учетом остаточного магнитного потока;

9(в ) — функция, определяющая момент магнитных потерь, На фиг. 1 представлена функциональная схема электропривода; на фиг. 2 представлены графики функций:,Ф((ь), Ф(1ь); на фиг, 3 дан график функции 9(в).

Электропривод содержит электродвигатель 1 постоянного тока с якорем 2 и обмоткой 3 возбуждения, усилители 4, 5 мощности, датчики 6, 7 тока возбуждения и 30 якоря, датчик 8 скорости электродвигателя, функциональные преобразователи 9 — 11, операционный усилитель 12, перемножители 13 — 18, сумматоры 19 — 21, масштабные блоки 22 — 25. 35

Якорь 2 электродвигателя 1 механически связан с ротором датчика 8 скорости, выход которого подключен к входу сумматора 19 и входу функционального преобразователя 9, его выход подключен к входу 40 перемножителя 13, второй вход которого подключен к входам перемножителей 14, 15 и выходу функционального преобразователя t0, а выход — к инвертирующему входу сумматора 21, выход которого подключен к 45 второму входу перемножителя 14 и входу перемножителя 16, второй вход которого подключен к выходу сумматора 19, а выход — к инвертирующему входу сумматора 20.

его второй вход подключен к выходу пере- 50 множителя 17, а выход через масштабный блок 25 — к входу перемно кителя 18, второй вход которого подключен к выходу функционального преобразователя 11, а выход — к входам функциональных преобразователей

10, 11, Выход перемножителя 14 подключен к второму, инвертирующему входу операционного усилителя 12, первый вход которого является входом электропривода, а выход— к входу перемножителя 17 и через масштабные блоки 22, 23 — к вторым входам сумматора 19 и перемножителя 15, Его выход через масштабный блок 24 подключен к вторым входам перемножителя 17 и сумматора

21.

Выходы перемножителей 18, 15 подключены к входам усилителей 4, 5 мощности, выходы которых подключены к обмоткам 3 возбуждения и 2 якоря через входы датчиков 6, 7 тока, выходы которых подключены к вторым, инвертирующим Входам усилителей 4, 5 мощности соответственно, Электропривод работает следующим образом.

Датчик 8 скорости вырабатывает сигнал в, поступающий на входы сумматора 19 и функционального преобразователя 9. На его выходе формируется сигнал 9(в), поступающий на вход перемножителя 13, причем где PM — мощность магнитных потерь в якоре 2;

MM — момент магнитных потерь;

Ф- основной магнитный поток электродвигателя 1.

С выхода функционального преобразователя 10 на входы перемножителей 13-15 поступает сигнал Ф. С выхода перемножителя 13 сигнал 9(в) Ф поступает на инвертирующий вход сумматора 21 и на вход перемножителя 16, На второй вход сумматора 21 приходит сигнал ci> . С его выхода сигнал до - g() (p поступает на второй вход перемножителя

14, с выхода которого сигнал

ci Ф-9(в) Ф приходит на второй инвертирующий вход операционного усилителя 12. Этот сигнал сравнивается с сигналом Мо, поступающим на первый вход операционного усилителя

12, равным требуемому электромагнитному моменту, На выходе операционного усилителя 12 формируется сигналА, имеющий смысл множителя Лагранжа в задаче условной оптимизации: найти токи якоря 4 и возбуждении о

iB, обеспечивающие требуемый электромагнитный момент при минимальной мощности электрических и магнитных потерь:

1767684 (2) Ой, 02

rsls + !"в4 + в g (c0) Ф !мин, с4 - ц(в) Фг= Мо, дЧ

= гя is -Ас Ф= О, д4 где rs, r!! — активные сопротивления обмоток якоря и возбуждения; с — постоянный коэффициент электромагнитного момента, Сигнал А поступает на вход перемножителя 17 и через масштабные блоки 22, 23 с коэффициентами 2, с/г, — на вторые входы сумматора 19 и перемножителя 15. На его выходе формируется сигнал!,о= с Лф

"я (3) поступающий через масштабный блок 24 на второй вход перемножителя 17, на выходе которого формируется сигнал с it is, поступающий на второй вход сумматора 20. На выходе сумматора 19 получается сигнал в + 2 А, домножаемый на сигнал ц(в ) Ф перемножителем 16. С его выхода сигнал (в + 2 k)g(в) Ф приходит на первый, инвертирующий вход сумматора 20, выходной сигнал которого через масштабный блок 25 с коэффициентом

1/r поступает на вход перемножителя 18.

На его второй вход поступает с выхода функционального преобразователя 11 сигнал

Ф= d Ф/di!!, а на выходе формируется сигнал!

4 = (cR!я -(в +2 )ц(в) Ф), (4)

Равенства (3), (4) получаются в результате решения задач (1), (2) методом множителя

Лагранжа, Функция Лагранжа и условия ее стационарности имеют вид:

V = — (rsis + r!!is + вц(в) Ф ) - il. x

° 2 ° 2

x(cis) ф-ц(в) Ф - Мо), поступающий на входы функциональных преобразователей 10, 11.

С выходов перемножителей 18, 15 поступают сигналы 4, 4р на входы усилителей

4, 5 мощности, которые питают обмотки возбуждения 3 и якоря 2 токами !в — !в, Is — !я с помощью датчиков 6, 7 тока. В результате электродвигатель 1 развивает требуемый электромагнитный момент Мо при минимальных суммарных электрических и магнитных потерях. д l !

5 д !!ь — rb ib + Cu g (В) Ф ф — it Cis ф +

+ 2il.g(â) Фф =0, ! бф

dib откуда получаются выражения (3), (4), На фиг. 2 представлены графики функций Ф (4) и Ф (4) (в относительных единицах) (Ф= d Ф/б4). При работе электродвигателя постоянного тока знак тока возбуждения iB не изменяется (всегда 4 > О). При 4 = О основной магнитный поток Ф равен остаточному магнитному потоку Фг > О (на фиг, 2

Ф, = 0,1). Это обеспечивает запуск электропривода из состояния покоя, В момент включения электропривода о о

is = О, 4 = О, но сигналы Ф и Ф на выходах функциональных преобразователей 10, 11— положительные. При подаче сигнала M на

25 первый вход операционного усилителя 12 на его выходе появляется ненулевой сигнал

А, на выходе перемножителя 15 — ненулевой сигнал iso. Перемножитель 17 домножает его на сигнал 1, а результирующий сигнал через сумматор 20 поступает на перемножитель1, гдедомножается на положительный сигнал Ф, Перемножитель 18 выдает положительный сигнал 4 .

Под действием сигналов 4, is усилители 4, 5 мощности выдают напряжения на обмотки возбуждения 3 и якоря 2, и двигатель приходит в движение.

На фиг. 3 дат график функции g(cu). Эта функция может быть построена по результатам эксперимента и по формуле

/фг

45 где MM — момент магнитных потерь в якоре электродвигателя, определяемый по формуле

Мм=с4Ф - Мтр, 50

4 — ток якоря при холостом ходе, т.е, при нулевом моменте на валу;

Мтр — моменттрения в подшипниках и о воздух.

Функция ц(в ) может быть получена и расчетным путем по формуле

g = Рм/(в фг), где Рм = Рв,T + Р, — мощность магнитных потерь, 1767684

Рв,т — мощность потерь на вихревые токи;

Р— мощность потерь на гистерезис.

Мощности Рв,т и Рг рассчитывают по известным методикам(Нейман Л,Р., Демир- 5 чан К,С. Теоретические основы электротехники. т.2, — Л.: Энергия, 1967, с. 88-90), (Иванов-Смоленский А,8. Электрические машины, — M. Энергия, 1980, с, 324-325), (Костенко М,П., Пиотровский Л.М. Электри- 10 ческие машины. ч,1, — M., Л„Энергия, 1964, с. 252 — 255).

Функциональные преобразователи

9 — 11 могут быть построены по схеме универсального функционального преобразо- 15 вателя, настраиваемого по графику функции или по таблице значений аргумента и функции (Маслов А,А.,Сахаров О,Н, Синтез диодных функциональных преобразователей,—

М.; Энергия, 1976, с. 145). 20

Операционные усилители, перемножители и сумматоры выпускаются серийно в виде интегральных микросхем (Аналоговые и цифровые интегральные схемы, под ред.

С.В.Якубовского, — M., Советское радио, 25

1979).

Таким образом, путем введения усилителя мощности, двух функциональных преобразователей, пяти перемножителей и трех сумматоров получен электропривод с 30 точным формированием оптимальных значений токов обмоток якоря и возбуждения, что снижает потребляемую от сети мощность и повышает надежность электродвигателя в связи со снижением температуры 35 его обмоток.

Формула изобретения

Электропривод постоянного тока, содержащий электродвигатель постоянного 40 тока, обмотка возбуждения которого подключена к усилителю мощности, датчик тока якоря и датчик тока возбуждения, выход которого подключен к первому усилителю мощности, операционный усилитель, после- 45 довательно соединенные датчик скорости электродвигателя, первый функциональный преобразователь и первый умножитель, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью улучшения энергетических характеристик путем фор- 50 мирования оптимальных значений токов обмоток якоря и возбуждения из условия получения требуемого электромагнитного момента при минимальных суммарных электрических и магнитных потерях, в него 55 введены второй усилитель мощности, два функциональных преобразователя, пять перемножителей и три сумматора, второй вход первого перемножителя подключен к входам второго и третьего перемножителей и выходу второго функционального преобразователя, а выход подключен к инвертирующему входу третьего сумматора и входу четвертого перемножителя, выход третьего сумматора подключен к второму входу второго перемножителя, второй вход четвертого умножителя подключен к выходу первого сумматора, первый выход которого подключен к выходу датчика скорости, а выход подключен к инвертирующему входу второго сумматора, его второй вход подключен к выходу пятого перемножителя, а выход подключен к входу шестого перемножителя, второй вход которого подключен к выходу третьего функционального преобразователя, а выход подключен к входам второго и третьего функциональных преобразователей, выход второго перемножителя подключен к второму инвертирующему входу операционного усилителя, первый вход которого является входом электропривода с входным сигналом, равным требуемому электромагнитному моменту, а выход подключен к входу пятого перемножителя и вторым входам первого сумматора и третьего перемножителя, его выход подключен к вторым входам пятого перемножителя и третьего сумматора, выходы шестого и третьего перемножителей подключены к входам первого и второго усилителей мощности, к второму входу которого подключен датчик тока якоря, выход второго усилителя мощности подключен к якорю электродвигателя, причем первый, второй и третий функциональные преобразователи выполнены с возможностью реализации функций

Q(N) = f1(N), Ф(в) = г(ь), где в — частота вращения электродвигателя;

I — ток обмотки возбуждения;

Ф вЂ” основной магнитный поток электродвигателя с учетом остаточного магнитного потока;

9(в ) — функция, определяющая момент магнитных потерь.

1767684 ог пФ об ад /o

Фи г.2

Составитель А,Афанасьев

Техред М,Моргентал Корректор H.Тупица

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 3558 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5