Электропривод постоянного тока
Изобретение может быть использовано для управления электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением. Электропривод постоянного тока содержит последовательно соединенные датчик тока якоря, первый компаратор, первый распределитель импульсов, выход первого распределителя импульсов подключены к управляющим электродам силовых ключей, последовательно соединенные датчик тока возбуждения, первый сумматор, второй компаратор, второй распределитель импульсов, импульсный усилитель мощности, питающий обмотку возбуждения, блок задания тока якоря, выход которого соединен с вторым входом первого компаратора, первым входом второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом, и с вторым входом блока деления, блок задания тока возбуждения, выход которого соединен с первым входом блока деления и вторым входом первого сумматора, блок умножения, первый вход которого соединен с выходом блока деления, а второй вход - с выходом второго сумматора, выход блока умножения соединен с вторым входом второго компаратора, последовательно соединенные формирователь задающего напряжения и регулируемый источник напряжения, причем вход формирователя задающего напряжения соединен с выходом блока деления, а выход регулируемого источника напряжения соединен с входом задания напряжения импульсного усилителя мощности. Такое построение электропривода постоянного тока позволяет максимально снизить пульсации мгновенного значения электромагнитного момента. 2 ил.
Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления электродвигателем постоянного тока с независимым возбуждением.
Известен электропривод постоянного тока [1], содержащий электродвигатель, источник постоянного тока и тиристорный мост, в диагональ которого включена обмотка якоря электродвигателя, два транзисторных ключа с шунтирующими диодами, два вспомогательных диода и два коммутирующих тиристора, причем коллектор первого транзисторного ключа соединен с положительным полюсом источника постоянного тока, с катодом первого шунтирующего диода и с катодом первого вспомогательного диода, а его эмиттер соединен с анодами шунтирующих диодов, с анодами тиристоров моста, с эмиттером второго транзисторного ключа и с катодом первого коммутирующего тиристора, анод которого подключен к отрицательному полюсу источника постоянного тока и к катоду второго коммутирующего тиристора, анод которого соединен с анодами вспомогательных диодов и через обмотку возбуждения электродвигателя с катодами других тиристоров моста, а катод второго вспомогательного диода соединен с катодом второго шунтирующего диода и с коллектором второго транзисторного ключа. Однако в указанном электроприводе постоянного тока в связи с импульсным характером напряжения в нагрузке имеют место пульсации тока в обмотке якоря электродвигателя. Пульсации тока якоря приводят к появлению импульсной (пульсирующей) составляющей электромагнитного момента, а это, в свою очередь, к появлению пульсаций скорости на валу двигателя. Пульсации тока якоря вызывают дополнительный нагрев и вибрацию двигателя, ухудшают коммутацию в щеточном узле двигателя [2]. Пульсации момента и скорости на валу двигателя приводят к ухудшению точностных показателей электропривода и не выполнению требований по стабилизации момента или частоты вращения. Пульсации момента могут составлять (в зависимости от частоты переключения силовых ключей) от 1% до 10% от номинального значения момента [2]. Такой уровень пульсаций особенно нежелателен в области малых нагрузок, когда значение стабилизируемого момента составляет 0,1...0,5 от номинального и становится сопоставимо с пульсациями, и недопустим в ряде электроприводов, требующих высокой точности отработки задающих воздействий. Кроме того, известен электропривод постоянного тока [3], являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий электродвигатель, последовательно соединенные источник питания, первый транзистор, обмотку возбуждения и полупроводниковый управляемый мост, в диагональ которого включена обмотка якоря электродвигателя, а также второй транзистор, первый диод, включенный параллельно обмотке возбуждения и полупроводниковому управляемому мосту с полярностью встречной полярности источника питания, второй диод, причем полупроводниковый управляемый мост снабжен обратным диодным мостом и шунтирован вторым транзистором, анод первого диода соединен с коллектором первого транзистора и с первым выводом обмотки возбуждения, а катод подключен к плюсовому выводу источника питания, анод второго диода соединен с эмиттером первого транзистора и минусовым выводом источника питания, а катод подключен к второму выводу обмотки возбуждения и эмиттеру второго транзистора. Однако в указанном электроприводе постоянного тока также имеют место пульсации момента, а следовательно и скорости электродвигателя. Хотя данный электропривод постоянного тока обеспечивает некоторое снижение пульсаций электромагнитного момента, покажем, что при этом сохраняется однако значительный уровень пульсаций момента. Для этого воспользуемся разложением импульсных составляющих квазиустановившихся токов якоря и возбуждения в ряд Фурье. При пренебрежении влиянием импульсного напряжения на обмотке возбуждения на ток якоря через канал ЭДС (в [4] показано, что данное допущение при частотах переключений силовых ключей, используемых на современном уровне техники, не является грубым) для первых гармоник тока якоря и возбуждения в относительных единицах получим: iя= iяср+



















или

В [5] показано, что составляющая






Тогда амплитуда пульсаций момента в относительных единицах:

Отсюда получим условие для угла сдвига между импульсными последовательностями напряжений на обмотках якоря и возбуждения





Даже при выполнении условия (5) амплитуда пульсаций момента составляет



Однако такой уровень пульсаций момента может оказаться достаточно высоким при низком значении стабилизируемого статического момента на валу электродвигателя, а также недопустимым в случае повышенных требований, предъявляемых к точности электропривода. Кроме того, необходимо отметить, что условие (5) выполнено в прототипе лишь приближенно, так как изменение заданного значения тока якоря при постоянстве тока возбуждения приводит в двигателе постоянного тока с независимым возбуждением к различию между скважностями обмоток якоря и возбуждения (и как следствие углов









iяср


Именно такой способ снижения пульсаций предусматривает предлагаемое изобретение. Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей изобретения является создание электропривода постоянного тока, обеспечивающего более эффективное снижение пульсаций электромагнитного момента, за счет чего существенно может быть повышена точность регулирования скорости и положения электропривода постоянного тока. Это достигается тем, что в известный электропривод постоянного тока, содержащий последовательно соединенные источник питания, полупроводниковый управляемый мост (с силовыми ключами), в диагональ которого включена обмотка якоря, обмотку независимого возбуждения, введены последовательно соединенные датчик тока якоря, первый компаратор, первый распределитель импульсов, последовательно соединенные датчик тока возбуждения, первый сумматор, второй компаратор, второй распределитель импульсов, импульсный усилитель мощности, питающий обмотку возбуждения, блок задания тока якоря, второй сумматор, блок деления, блок задания тока якоря, второй сумматор, блок деления, блок задания тока возбуждения, блок умножения и последовательно соединенные формирователь задающего напряжения и регулируемый источник напряжения, причем вход датчика тока якоря соединен с обмоткой якоря, а выход первого распределителя импульсов с управляющими электродами силовых ключей, вход датчика тока возбуждения соединен с обмоткой возбуждения, выход блока задания тока якоря соединен с вторым входом первого компаратора, первым входом второго сумматора и вторым входом блока деления, выход блока задания тока возбуждения соединен со вторым входом первого сумматора и первым входом блока деления, второй вход второго сумматора соединен с выходом датчика тока якоря, а выход второго сумматора соединен со вторым входом блока умножения, первый вход которого соединен с выходом блока деления, выход блока умножения соединен с вторым входом второго компаратора, вход формирователя задающего напряжения соединен с выходом блока деления, а выход регулируемого источника напряжения соединен с входом задания напряжения импульсного усилителя мощности. На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого электропривода постоянного тока. На фиг.2 приведены диаграммы, поясняющие работу электропривода постоянного тока. Предлагаемый электропривод постоянного тока (фиг.1) содержит последовательно соединенные источник питания 1 (ИП), полупроводниковый управляемый мост (с силовыми ключами К1, К2, К3, К4 соответственно 2,3,4,5), в диагональ которого включена обмотка якоря 6 (ОЯ), обмотку независимого возбуждения 7 (ОВ), последовательно соединенные датчик тока якоря 8 (ДТЯ), первый компаратор (релейный элемент) 9 (РЭ1), первый распределитель импульсов 10 (РИ1), последовательно соединенные датчик тока возбуждения 11 (ДТВ), первый сумматор 12 (С1), второй компаратор 13 (РЭ2), второй распределитель импульсов 14 (РИ2), импульсный усилитель мощности 15 (ИУМ), питающий обмотку возбуждения 7, блок задания тока якоря 16 (БЗТЯ), второй сумматор 17 (С2), блок деления 18 (БД), блок задания тока возбуждения 19 (БЗТВ), блок умножения 20 (БУ) и последовательно соединенные формирователь задающего напряжения 21 (ФЗН) и регулируемый источник напряжения 22 (РИН), причем вход датчика тока якоря 8 соединен с обмоткой якоря 6, а выход первого распределителя импульсов 10 с управляющими электродами силовых ключей 2,3,4,5, вход датчика тока возбуждения 11 соединен с обмоткой возбуждения 7, выход блока задания тока якоря 16 соединен с вторым входом первого компаратора 9, первым входом второго сумматора 17 и вторым входом блока деления 18, выход блока задания тока возбуждения 19 соединен со вторым входом первого сумматора 12 и первым входом блока деления 18, второй вход второго сумматора 17 соединен с выходом датчика тока якоря 8, а выход второго сумматора 17 соединен со вторым входом блока умножения 20, первый вход которого соединен с выходом блока деления 18, выход блока умножения соединен с вторым входом второго компаратора 13, вход формирователя задающего напряжения 21 соединен с выходом блока деления 18, а выход регулируемого источника напряжения 22 соединен с входом задания напряжения импульсного усилителя мощности 15. В качестве источника питания 1 может быть использована классическая схема: трансформатор-выпрямитель-фильтр, приведенная например в [6, рис. 2.2 стр. 26] , Трансформатор - типа ТПП-273, выпрямительные диоды -Д 246Д, конденсаторы - К 50-17. В качестве силовых ключей К1, К2, К3, К4 соответственно 2,3,4,5 использованы транзисторы с обратными диодами по схеме включения, показанной в [3] . Тип транзисторов зависит от мощности используемого двигателя. Для электродвигателя принятого в данной заявке выбраны транзисторы КТ818Г, КТ819Г. В качестве нагрузки 6 использован стандартный электродвигатель постоянного тока ЭДН-145Р с независимой обмоткой возбуждения 7. Датчик тока якоря 8 служит для преобразования тока якоря электродвигателя в пропорциональное напряжение. Датчик тока 6 может быть реализован на прецизионном резисторе С5-16МВ-0,1 Ом




iяз


Амплитуда пульсаций тока якоря в релейном контуре тока якоря определена и зависит от ширины "трубки" тока, заданной в РЭ1. Сигнал iвз определяет номинальный (или в случае двухзонного регулирования пониженный) уровень потока (тока возбуждения). Таким образом, при изменении заданного тока якоря, связанного, например, с изменением нагрузки на валу двигателя, данное условие может быть выполнено лишь за счет регулирования амплитуды пульсаций тока возбуждения:

Именно эту функцию выполняет блок деления 18 путем регулирования амплитуды выходного напряжения регулируемого источника питания 22 (через формирователь задающего напряжения 22). Кроме того, как уже отмечалось выше, при изменении заданного значения тока якоря в машине постоянного тока с независимым возбуждением, скважности напряжений на обмотках якоря и возбуждения становятся существенно различными, то есть токи якоря и возбуждения существенно отличаются друг от друга по форме и становится крайне затруднительной реализация оптимального из условия снижения пульсаций момента угла сдвига между напряжениями якоря и возбуждения (условие (5)). Отсюда, вполне очевидным является вывод о том, что скважность напряжения на обмотке возбуждения должна изменятся в функции заданного значения тока якоря определенным образом для выполнения условия (5). Среднее (заданное) значение тока возбуждения при этом изменяться не должно. Изменение скважности напряжения возбуждения в предлагаемом электроприводе постоянного тока осуществляется за счет изменения амплитуды опорного напряжения в контуре регулирования тока возбуждения, путем умножения в блоке умножения 20 выходного напряжения второго сумматора 17 на выходной аналоговый сигнал блока деления 18. Стабилизация заданного значения тока возбуждения осуществляется за счет жесткой отрицательной обратной связи по току возбуждения. В момент времени t= t5 начинается снижение токов якоря и возбуждения (фиг. 2а, t5-t7). В момент времени t=t6 сигналы на обоих входах второго компаратора 13 становятся равными, происходит опрокидывание компаратора 13 и ток возбуждения восстанавливается к заданному значению. Однако амплитуда напряжения на обмотке возбуждения Uов (фиг. 2в, t5-t10) измеряется пропорционально сигналу с выхода блока деления 18, а, следовательно, также изменяется и амплитуда пульсаций тока возбуждения. В момент времени t=t7 ток якоря достигает нового заданного значения и начинается рост тока якоря (фиг. 2в, t7-t8). Сигнал с выхода первого сумматора 12 и сигнал с выхода блока умножения 20 становятся равными и происходит переключение второго компаратора 13 на отрицательную полярность и начинается процесс спадания тока возбуждения (фиг. 2в, t7-t8). Причем амплитуда опорного напряжения (фиг. 2б), амплитуда напряжения возбуждения (фиг. 2в), а следовательно, и амплитуда тока возбуждения (фиг. 2а), возрастают пропорционально возросшему сигналу с выхода блока деления 18 (фиг. 2в). В момент времени t=t8 ток якоря достигает верхней границы "трубки", что приводит к спаданию тока якоря и росту тока возбуждения (фиг. 2а, t8-t9). Процессы на интервале t9-t10 полностью аналогичны процессам на интервале t7-t8. Таким образом осуществляется наиболее эффективное снижение пульсаций электромагнитного момента и при новом заданном значении тока якоря. Отметим, что при отрицательном сигнале задания тока якоря процессы в предлагаемом электроприводе постоянного тока протекают аналогично. Таким образом, предлагаемый электропривод постоянного тока обеспечивает по сравнению с прототипом максимально возможное снижение пульсаций мгновенного значения электромагнитного момента вне зависимости от величины статического момента сопротивления на валу двигателя. Снижение пульсаций момента позволяет повысить точность регулирования скорости и положения электропривода постоянного тока. Источники информации
1. А.С. N 902185, Л.И.Малинин, Г.А.Персов, Б.А.Петров. 2. Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока Л.: Энергия 1973г. - 285 с. 3. А.С. N 1415394 А.А. Корогодский, Л.И. Малинин. 4. Гринкевич Д. Я. Анализ пульсаций тока якоря машины постоянного тока при двухканальном импульсноом управлении. //Сборник научных трудов НГТУ N 1, 1996/НГТУ.-Новосибирск, 1996 г. 5. Симаков Г.М., Гринкевич Д.Я. Исследование пульсаций момента микроэлектропривода постоянного тока при импульсном источнике питания обмотки возбуждения. // Автоматизированные электромеханические системы/ НГТУ. - Новосибирск, 1996 г. 6. Источники вторичного питания с бестрансформаторным входом /А.А.Бас, В.П. Миловзоров, А.К.Мусолин - М.: Радио и связь, 1987 г. - 160 с. 7. Двухзонные следящие системы. /В.В.Шеваль, Е.И.Дорохов, С.А.Исаков - Энергатомиздат 1984 г. - (Б-ка по автоматике: вып. 646)
8. Хорвиц П., Хилл У., Искусство схемотехники: В 2-х томах пер. с англ. - М.: Мир 1983 г., Т. 1. 598 с. 9. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. - Л.: Энергоиздат, Лениград. отд-ние 1982 - 392с. 10. Алексеенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем/ А.Г. Алексеенко., Е.А. Коломбет, Г.И. Стародуб. - М.: Радио и связь, 1985. - 256 с.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2