устройство для улучшения коммутации коллекторных машин переменного тока

Формула изобретения

Устройство для улучшения коммутации коллекторных машин переменного тока, содержащее обмотку якоря, последовательную обмотку возбуждения, компенсационную обмотку, отличающееся тем, что последовательно с якорем включен шунт, сигнал с которого поступает на вход датчика тока якоря и на вход компаратора, выходы которых совместно с выходом с датчика скорости подключены к первому, второму и третьему входу блока управления, который включает в себя блок хранения, второй и третий входы которого соединены с выходами датчиков тока якоря и скорости соответственно, а выходы соединены с первыми входами первого и второго блоков деления, на вторые входы которых поступают сигналы тока якоря и скорости, соответствующие номинальному режиму работы соответственно, сигнал тока якоря в относительных единицах с первого блока деления поступает на вход блока, реализующего кривую намагничивания, и на первый вход второго блока умножения, на второй вход которого поступает сигнал скорости вращения в относительных единицах со второго блока деления, а на третий вход второго блока умножения - сигнал реактивной ЭДС в номинальном режиме, с выхода блока, реализующего кривую намагничивания, сигнал поступает на первый вход первого блока умножения, на второй вход которого поступает сигнал трансформаторной ЭДС в номинальном режиме, а с его выхода сигнал поступает на вход первого блока возведения в квадрат, а сигнал с выхода второго блока умножения поступает на вход второго блока возведения в квадрат, сигналы с выходов блоков возведения в квадрат поступают на первый сумматор, с выхода которого сигнал поступает на вход блока, реализующего функцию квадратного корня, с выхода которого сигнал поступает на первый вход третьего блока деления, на второй вход которого поступает сигнал коммутирующей ЭДС для номинального режима, а сигнал коэффициента по амплитуде с его выхода - на второй вход генератора треугольных сигналов, сигнал со второго блока умножения поступает на второй вход четвертого блока деления, на первый вход которого поступает сигнал с блока, реализующего функцию квадратного корня, а сигнал косинуса угла между вектором тока якоря и суммарным вектором ЭДС с выхода четвертого блока деления - на первый вход второго сумматора, на второй вход которого с отрицательным знаком поступает сигнал упомянутого косинуса угла в номинальном режиме, а с его выхода сигнал поступает на вход блока, преобразующего разность косинусов углов в разность углов, сигнал с которого поступает на третий вход генератора треугольных сигналов, на четвертый вход которого поступает сигнал с компаратора, при этом генератор треугольных сигналов формирует задание на широтно-импульсный преобразователь, к которому подключена независимая обмотка дополнительных полюсов, для компенсации суммы реактивной и трансформаторной ЭДС, при этом по импульсу на первом входе блока хранения в нем осуществляется загрузка текущих значений тока якоря и скорости, а по импульсу, поступающему на первый вход генератора треугольных сигналов, загружаются коэффициент усиления по амплитуде и коэффициент углового рассогласования относительно номинального режима работы коллекторной машины переменного тока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для улучшения коммутации коллекторных машин переменного тока, и может быть использовано в электрических машинах с дополнительными полюсами.

Известна электрическая машина переменного тока с вентильно-механическим коммутатором [Патент СССР 756553 Н 02 К 13/14], содержащая статор и ротор с разделенным коллектором из токоведущих пластин, соединенных с обмоткой ротора и разделенных изолирующими пластинами, и холостых пластин, изолированных от токоведущих пластин, также разделенных изолирующими пластинами, основные и дополнительные щетки, контактирующие с токоведущими пластинами, каждая дополнительная щетка соединена с основной щеткой через полупроводниковый переключатель, содержащий тиристоры и диоды, дополнительные щетки установлены с каждого края основной щетки, переключатель в виде двух встречно-параллельно соединенных тиристоров, на холостых пластинах с каждого края основной щетки установлены по паре управляющих дополнительных щеток, одна щетка каждой пары соединена с управляющим электродом одного тиристора переключателя непосредственно, а другая - через резистор с управляющим электродом другого тиристора. Ширина холостых пластин больше ширины изолирующих пластин, разделяющих токоведущие пластины, на удвоенную ширину управляющих дополнительных щеток. Ширина дополнительных щеток и управляющих дополнительных щеток меньше ширины изолирующих пластин, разделяющих токоведущие пластины, причем продольная ось холостых пластин смещена относительно продольной оси изолирующих пластин, разделяющих токоведущие пластины, на величину, равную или большую ширины управляющих дополнительных щеток.

Известна также коллекторная электрическая машина переменного тока с вентильно-механической коммутацией [Патент СССР 919018, Н 02 К 13/14], содержащая статор, ротор, коллектор, главную щетку, две силовые дополнительные щетки, расположенные с набегающего и сбегающего краев главной щетки и соединенные с нею через силовые выводы симмисторов, управляющие электроды которых соединены через резистор с управляющими дополнительными щетками, и реверсивный переключатель, между главной и силовыми дополнительными щетками введены дополнительные управляющие щетки, установленные изолированно от указанных щеток, причем силовая дополнительная и управляющая дополнительная щетка смещены относительно главной щетки и относительно друг друга в межщеточном пространстве в поперечном и продольном направлениях, а управляющие дополнительные щетки соединены с управляющим электродом симмисторов через дополнительно введенный переключатель, соединенный с реверсивным переключателем.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству для улучшения коммутации коллекторных машин переменного тока является выбранная в качестве прототипа коллекторная машина переменного тока с устройством улучшения коммутации [М. П. Костенко, Л.М. Пиотровский. Электрические машины, часть 2, стр.572, рис.28-7], содержащая якорь, обмотку главных полюсов, обмотку дополнительных полюсов, компенсационную обмотку, включенных последовательно с якорем, а также подключенные параллельно обмотке дополнительных полюсов, резистор и емкости.

Данное схемное решение позволяет компенсировать реактивную ЭДС, создаваемую якорной обмоткой и трансформаторную ЭДС, сдвинутую относительно реактивной ЭДС на 90^o, создаваемую полем главных полюсов, путем подбора соответствующего резистора, на который ответвляется часть тока дополнительного полюса с тем, чтобы повернуть вектор коммутирующей ЭДС на угол, при котором будет происходить компенсация и реактивной и трансформаторной ЭДС. Емкости, включенные параллельно резистору, позволяют несколько расширить зону компенсации, относительно установленного режима работы, однако эта зона слишком мала для обеспечения удовлетворительной коммутации в широком диапазоне работы.

Недостатком данной схемы является то, что с увеличением диапазона работы машины, а именно с изменением нагрузки на валу, необходимо подбирать соответствующий резистор и емкости, либо устанавливать несколько параллельно включенных резисторов и емкостей, подключаемых в зависимости от нагрузки на валу, что также не решает проблему, так как невозможно установить такое количество сопротивлений и емкостей, соответствующих широкому диапазону работы машины.

Предлагаемое устройство для улучшения коммутации коллекторных машин переменного тока состоит из обмотки якоря, компенсационной обмотки, последовательной обмотки возбуждения и шунта, включенного последовательно в цепь якоря, сигнал с которого поступает на датчик тока якоря и на компаратор. Также устройство снабжено, датчиком скорости. Сигналы с датчика тока якоря, с датчика скорости и с компаратора поступают на блок управления, который формирует задание на широтно-импульсный преобразователь, к которому подключена независимая обмотка дополнительных полюсов.

На фиг.1 показана схема подключения коллекторной машины переменного тока к управляющим элементам; на фиг.2. - векторная диаграмма компенсации реактивной и трансформаторной ЭДС коммутирующей ЭДС, где 1 - вектор тока якоря, 2 - вектор реактивной ЭДС, 3 - вектор трансформаторной ЭДС, 4 - суммарный вектор трансформаторной и реактивной ЭДС, 5 - вектор коммутирующей ЭДС, создаваемый полем дополнительных полюсов; на фиг.3. - блок-схема блока управления; на фиг.4. - временная диаграмма работы блока управления, где Т - полное время цикла работы блока управления, T₁ - время, необходимое для расчета новых коэффициентов, Т₂ - время, необходимое для формирования нового задания на широтно-импульсный преобразователь.

Устройство для улучшения коммутации коллекторных машин переменного тока (фиг.1) содержит коллекторную машину 1, состоящую из обмотки якоря 2, последовательной обмотки 3 возбуждения и компенсационной обмотки 4. Последовательно с якорем включен шунт 5, сигнал с которого поступает на вход датчика 6 тока якоря и на вход компаратора 7, выходы которых совместно с выходом с датчика 8 скорости, подключены к первому, второму и третьему входу блока 9 управления, выход которого подключен к входу задания широтно-импульсного преобразователя 10, к которому подключена независимая обмотка 11 дополнительных полюсов.

Задачей блока 9 управления является обеспечение такого задания на широтно-импульсный преобразователь 10, чтобы вектор коммутирующей ЭДС E_K в любом режиме работы компенсировал суммарный вектор реактивной и трансформаторной ЭДС (фиг.2). То есть E_K=E_P+E_T.

Необходимый вектор коммутирующей ЭДС можно получить исходя из следующего алгоритма. Зная текущий режим работы машины, можно определить вектора реактивной и трансформаторной ЭДС. Так как эти два вектора постоянно находятся в квадратуре относительно друг друга (фиг. 2) то модуль суммарного вектора равен: Разделив модуль вектора реактивной ЭДС на модуль суммарного вектора ЭДС, получим косинус угла между вектором реактивной ЭДС, то есть вектором тока якоря и суммарным вектором ЭДС: Таким образом, используя полученные значения можно получить необходимый вектор коммутирующей ЭДС, который равен суммарному вектору ЭДС: E_K = E (фиг.2).

Блок 9 управления (фиг.3.) включает в себя блок 12 хранения, второй и третий входы которого соединены с выходами датчиков 6 и 8, (фиг.1), соответственно, а выходы соединены с первыми входами блоков 13 и 14 деления, на вторые входы которых поступают сигналы тока якоря и скорости, соответствующие номинальному режиму работы. Сигнал i, соответствующий току якоря в относительных единицах, с блока 13 поступает на вход блока 15, реализующий кривую намагничивания, и на первый вход блока 16 умножения, на второй вход которого поступает сигнал , соответствующий скорости вращения в относительных единицах, с блока 14, а на третий вход сигнал, соответствующий реактивной ЭДС в номинальном режиме E_ТH. С выхода блока 15, сигнал тока якоря с учетом кривой намагничивания поступает на первый вход блока 17 умножения, на второй вход которого поступает сигнал, соответствующий трансформаторной ЭДС в номинальном режиме E_TH. С выхода блока 17 умножения сигнал трансформаторной ЭДС E_T = E_TH поступает на вход блока 18, реализующий функцию возведения в квадрат. С выхода блока 16 сигнал реактивной ЭДС E_P = iE_PH поступает на вход блока 19, который также реализует функцию возведения в квадрат. Сигналы, соответствующие квадратам трансформаторной и реактивной ЭДС, E_T ² и E_Р ², поступают на сумматор 20, с выхода которого сигнал, соответствующий сумме квадратов реактивной и трансформаторной ЭДС, (E_P ²+E_T ²), поступает на вход блока 21, реализующий функцию квадратного корня, с выхода блока 21 сигнал, соответствующий квадратному корню из суммы квадратов трансформаторной и реактивной ЭДС, поступает на первый вход блока 22 деления, на второй вход которого поступает сигнал коммутирующей ЭДС для номинального режима E_KH. С выхода блока 22 сигнал, соответствующий коэффициенту усиления q = E/E_KH, поступает на второй вход генератора 26 треугольных сигналов. Сигнал с блока 16 умножения также поступает на вход блока 23 деления, на другой вход которого поступает сигнал с блока 21. Сигнал с блока 23, соответствующий косинусу угла между вектором тока якоря и суммарным вектором ЭДС, поступает на сумматор 24, на второй вход которого с отрицательным знаком поступает сигнал, соответствующий косинусу угла в номинальном режиме. Сигнал, соответствующий разности косинусов, поступает на вход блока 25, преобразующий данный сигнал в разность углов. Сигнал разности углов поступает на третий вход генератора 26 треугольных сигналов, на четвертый вход которого поступает сигнал с компаратора 7 (фиг.1), для синхронизации с током якоря, а также для блокировки генератора треугольных сигналов при отсутствии тока якоря. Для корректной работы блока 9 управления введен блок 27, временная диаграмма работы которого представлена на фиг.4, выходы которого подключены к первому входу блока 12 хранения и к первому входу генератора 26 треугольных сигналов, выход которого подключен к входу задания широтно-импульсного преобразователя 10 (фиг.1).

Предлагаемое устройство для улучшения коммутации коллекторных машин переменного тока работает следующим образом. При наличии тока в цепи якоря 2, сигнал с шунта 5 поступает на компаратор 7, который разблокирует генератор 26 треугольных сигналов (фиг.3), который начинает формировать треугольный сигнал задания на широтно-импульсный преобразователь 10, согласно номинальному режиму работы двигателя. Сигналы с датчиков тока 6 якоря и скорости 8, а также с компаратора 7, поступают на блок 9 управления, в котором согласно временной диаграмме (фиг.4) по импульсу ₁ осуществляется загрузка текущих значений тока якоря и скорости в блок 12 хранения. Далее в течение времени t₁ осуществляется расчет коэффициентов для генератора треугольных сигналов. По импульсу ₂ в генератор треугольных сигналов, в течение времени Т₂, загружаются коэффициент усиления по амплитуде q и коэффициент углового рассогласования относительно номинального режима работы двигателя. Согласно этим коэффициентам генератор треугольных сигналов формирует такое задание на широтно-импульсный преобразователь, чтобы коммутирующая ЭДС компенсировала сумму реактивной и трансформаторной ЭДС. То есть устройство для улучшения коммутации коллекторных машин переменного тока постоянно анализирует текущие значения тока якоря и скорости, и формирует такой сигнал задания на широтно-импульсный преобразователь, чтобы обеспечить полную компенсацию как трансформаторной, так и реактивной ЭДС, обеспечивая тем самым хорошую коммутацию двигателя в любом режиме работы.