Электропривод постоянного тока

 

CCtIO3 СОВГТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)л Н 02 P 5/06

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) I„- it C t,r- 1i"1Ф h

ОПИСЛНИЕ ИЗОЬГЕТЕНИ

К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4774286/07 (22) 26,12.89 (46) 07,01.93, Бюл. Ит 1 (71) Северо-Кавказский филиал Всесоюзного научно-исследовательского и конструкторского института "Цветметавтоматиха" (72) Г,Г.Ходжаев (56) Вешеневсхий С,Н., Характеристики двигателей в электроприводе. М.: Энергия, 1977, с.431.

Авторское свидетельство СССР

N - 1627036, кл. Н 02 P 5/06, 1989.

„„. ЫÄÄ 1786626А1 (54) ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГОТОКА (57) Использование:. в крановых механизмах или электрических экскаваторах. Сущность: электропривод постоянного тока содержит электродвигатель 3, якорная обмотка которого через первый выпрямитель 2 подключена к батарее конденсаторов 4. B данном устройстве достигается улучшение качества управления за счет введения второй батареи конденсаторов 1 и трансформатора 8, 1786626

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводе постоянного тока, например, крановых механизмов или электрических экскаваторов для придания характеристикам двигателя с независимым возбуждением положительных свойств характеристик двигателя с последовательным возбуждением.

Известно устройство включения двигателя постоянного тока с независимым или с параллельным возбуждением непосредственно в сеть или с добавочным внешним сопротивлением в цепи якоря, обеспечивающим получение искусственных характеристик.

Данная схема электропривода обеспечивает его механические и скоростные характеристики с известными свойствами: при перегрузках двигателя момент возрастает йропорционально току, а при йдеальном холостом ходе двигатель имеет фиксированную частоту вращения, определяемую соотношением напряжения сети и электрической постоянной двигателя. Причем, эта частота вращения лишь на 3-5g, выше номинальной.

Известно также устройство включения двигателя постоянного тока с независимым возбуждением, наиболее близкое к предполагаемому изобретению по технической сущности и принятое в качестве прототипа, в системе переменно-постоянного напряжения, содержащее источник переменного напряжения, на зажимы которого включены последовательно первая батарея конденсаторов и выпрямительный мост, к выходу Которого подключена якорйая цепь двигателя, а параллельно входу выпрямителя подключена вторая батарея конденсаторов.

По сравнению со схемой аналога, схема прототипа позволяет получить механические и скоростные характеристики двигате ля типа "экскаваторных". Однако, в схеме прототипа, исключается возможность применения двигателя с параллельным возбуждением, т,к . при пуске (в "стоповом" режиме) напряжение на выходе выпрямителя близко к нулю и у двигателя с параллельным возбуждением ток в обмотке возбуждения будет отсутствовать. Схема прототипа обеспечивает возможность использования двигателя с последовательным возбуждением или двигателя с независимым возбуждением. В последнем случае требуется источник питания обмотки возбуждения, а характеристики двигателя, за исключением вида "экскаваторных", по остальным свойствам близки к характеристикам двигателя в аналоге, а именно: мо10 при перегрузках Сверх номинального момента и тока и повышение частоты вращения с уменьшением нагрузки. При этом в. нием при холостом ходе частота вращения

15 теоретически возрастает неограниченно, независимым возбуждением, например, в

20 подьемных и металлургических кранах, в

30 вует повышению производительности дан35 ного механизма.

55 мент вращения при перегрузках пропорционален току, а частота вращения идеального холостого хода практически равна номинальной частоте вращения.

Вместе с тем известны положительные свойства, обеспечиваемые механизмом при применении двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением: повышенное значение момента на единицу тока двигателях с последовательным возбуждечто является уже их недостатком, Таким образом, в механизмах с двигателем постоянного тока с параллельным или экскаваторах, желательно, с одной стороны, некоторое повышение момента при тех же токах перегрузки и, с другой стороны, некоторое повышение частоты вращения при малых нагрузках с сохранением ее фиксированного ограничения при идеальном холостом ходе. Это позволит повысить перегрузочную способность механизма по моменту при тех же перегрузках двигателя по току, а при малых нагрузках механизма иметь повышение скорости, например, при подъеме или спуске крюка крана без груза, или с незначительным грузом, что способстЦель изобретения — повышение надежности и улучшение качества управления электропривода постоянного тока, содержащего двигатель с независимой обмоткой возбуждения, Поставленная цель достигается тем, что в электропривод постоянного тока, содержащий электродвигатель, якорная обмотка которого через первый выпрямитель подключена к первой батарее конденсаторов, а независимая обмотка подключена к выводам постоянного тока второго выпрямителя, введены вторая конденсаторная батарея и трансформатор, включенный между выводами второй конденсаторной батареи и выводами переменного тока второго выпрямителя, причем конденсаторные батареи соединены в последовательную цепь и предназначены для подключения к сети переменного тока.

Предлагаются устройства с однофазным и с трехфазным выполнением цепи переменного тока. устройство электропривода постоянного тока для варианта однофазной цепи пе1786626 ременного тока содержит электродвигатель, якорная обмотка которого через первый выпрямитель подключена к первой батарее конденсаторов, а независимая обмотка подключена к выводам постоянного тока второго выпрямителя, который г1осредством трансформатора подключен к выводам второй конденсаторной батареи, причем первая и вторая конденсаторные батареи соединены в последовательную цепь и предназначены для подключения к однофазной сети переменного тока.

Устройство электропривода постоянного тока для варианта трехфазной цепи переменного тока содержит электродвигатель,, якорная обмотка которого через трехфазный выпрямитель подключены к первой трехфазной батарее конденсаторов, соединенной по схеме "звезда" или по схеме "треугольник", которая в каждой из трех фаз подключена к сети переменного тока через пофазно последовательно соединенную трехфазную вторую батарею конденсаторов,независимая обмотка электродвигателя подключена к выводам постоянного тока однофазного выпрямителя, который посредством трансформатора подключен к выводам второй конденсаторной батареи в одной из трех фаз.

Предлагаемое техническое решение соответствует критерию изобретения "существенные отличия", т.к. не выявлены другие технические решения с аналогичными свой ствами.

На фиг.1 и 2 представлены схемы устройства электропривода для осуществления включения двигателя постоянного тока соответственно для вариантов однофазной и трехфазной цепей переменного тока.

На фиг.3 представлена векторная диаграмма токов и напряжений для схемы устройства с однофазной цепью переменного . тока.

На фиг,4 представлена векторная диаграмма токов для схемы устройства с трехфазной цепью переменного тока.

На фиг.5-а и фиг.5-6 представлены соответственно механические и скоростные характеристики двигателя с независимым возбуждением при включении по схеме прототипа (пунктирные линии) и при включении по предлагаемому устройству по фиг.2г (сплошные линии).

Представленная на фиг.1 схема включения двигателя для варианта однофазной цепи переменного тока содержит последовательно включенные в цепь переменного тока конденсаторы I, (в общем случае это батарея конденсаторов 1-m), первый выпрямитель 2, к выходу которого

50 подключена якорная цепь двигателя 3, а параллельно входу подключены конденсаторй

4, (в общем случае это батарея конденсаторов 1 — и) и второй выпрямитель 5, к выходу

5 которого подключены параллельно незави-. симая обмотка возбуждения 6 и емкость сглаживающих конденсаторов 7 (последняя может отсутствовать), а вход выпрямителя 5 подключен к выходу согласующего транс10 форматора 8, который своим входом подключен параллельно конденсаторам 1 в цепи переменного тока.

Устройство работает следующим образом.

15 В соответствии с первым законом Кирхгофа для тока сети 11 (а пренебрегая величиной тока цепей возбуждения — и для тока конденсаторов 1),тока Ь конденсаторов 4 и тока!р выпрямителя 2 имеем:

20 11=!2+ ln (1)

Для однофазного выпрямителя 2 токи его входа ID и выхода 1д равны, причеМ ток tg является током якорной цепи, а напряжения его выхода 01 и входа 02 связаны извест25 ным соотношением;

Од=0,902 (2)

Напряжение на обмотке возбуждения связано с напряжением на входе согласующего трансформатора 8 соотношением:

30 Ub- Кс U1, (3) где К,— коэффициент согласования, учитывающий величийу коэффициента трансформации Кт трансформатора 8 и соотношение, аналогичное выражению (2), для напряже35 ний выхода и входа выпрямителя 5.

При идеальном холостом ходе двигателя 3 ток Ь отсутствует, токи 11 и I2 равны между собой и их величина определяется напряжением сети и сопротивлениями Х1 и

40 Х2 батарей конденсаторов 1 и 4:

0 1хх= !2хх= Х + Х

I+ 2 (4)

Напряжение сети распределено между батареями конденсаторов t и 4 пропорцио45 нально их сопротивлениям, При этом напряжение на якоре двигателя (с учетом (2)) и напряжение на обмотке возбуждения (с учетом (3)) равны:

01хх=1 1хх Х1 (5)

02хх= 1хх Х2 (6)

Соотношение этих напряжений однозначно определяет поток возбуждения двигателя и его частоту вращения идеального холостого хода по.

55 В момент включения (пуска) двигателя; когда его частота вращения п=0, а ЗДС отсутствует (стоповой режим), выпрямитель 2 и конденсаторы 4 оказываются закороченными (точки Д и В) сопротивлением Вя якор-

1786626

15

55 ной цепи двигателя, величиной которого по сравнению с сопротивлением Х1 батареи 1 в первом приближении можно пренебречь.

В этом случае током 12 можно пренебречь, а ток!ь в сети равен току loï и току lan в цепи якоря и определяется соотношением напряжения и сопротивления Х1 батареи и конденсаторов 1, т .е. (7)

01

Очевйдйо, что в этом случае напряжение на обмотке возбуждения определяется величиной напряжения сети:

U)n = Uc . (8)

Параметры схемы определяют исходя из следующего. Задаваясь желаемым значением К кратности пускового тока двигателя к его номинальному току 1дв.н вычисляют желаемое значение тока 11в:

:hn=Kn lдв,н (9)

Затем иэ (7) определя от необходимое значение сопротивления Х1 конденсаторов батареи 1 (а следовательно, и емкости С1 этой батареи), которая и обеспечивает, аналогично прототипу, ограничение пускового тока двигателя.

Величина Х2 сопротивленйя, которая определяет и ее емкость С2, батареи 4 определяется из заданной величины напряжения Огхх на якоре при холостом ходе из (4) и (6). Максимальные значения напряжения на батареях 1 и 4. равны соответственно 0в и

U2xx из (6).

При плавном переходе от стопового режима к режиму идеального холостого хода двигателя его ток lдв, (а значит и ток! o) изменяется от пускового значения 11в до нуля.

При этом состояние системы описывается уравнением (1), а также уравнениями

U =01+02 (10) 12 =

02

Хг (11}

Задача решается численным методом (итерацией) и. позволяет определить однозначно зависимости 01, 02 и 12 от 1 D, т.е. от

I дв, Момент M и частота вращения и двигателя определяются величиной l дв и величи. ной потока возбуждения Ф по известным выражениям (1) 25

М=К1 Ф " lдв (12)

n= (13) где Едв. ЭДС двигателя, которая при этом, с учетом (2), определяется по уже известным параметрам:

Едв=0,902-1дв Вя (1 4)

Прй этом в предлагаемой схеме включения обмотки возбуждения величина потока возбуждения является с учетом (3), функцией уже известного параметра 0>, для чего может быть использована универсальная кривая намагничивания для двигателей параллельного возбуждения.

При выборе в (3) коэффициента согласования, например, по условию обеспечения номинального потока возбуждения при номинальном токе в якоре двигателя, поведение двигателя подобно поведению сериесного двигателя, с учетом следующего;

При номинальном токе двигателя поток равен номинальному значению.

При увеличении тока двигателя поток возрастает, однако, нелинейно, т.к.магнитная цепь двигателя работает в области заметногодействия насыщения. При этом, как и у сериесного двигателя, величина вращающего момента на единицу тока выше, чем у двигателя с независимой (параллельной) обмоткой возбуждейия. Возрастание потока возбуждения обусловлено увеличением падения напряжения U> на батарее 1 при

Ф увеличении тока 1, При уменьшении тока двигателя поток возбуждения уменьшается, обеспечивая увеличение частоты вращения аналогично серйесному двигателю, но, в отличие от него, лишь до определенной величины, т.к. даже при йдеальном холостом ходе двигателя поток возбуждения обеспечен падением напряжения на батарее 1 за счет тока холостого хода 1

1786626

50

2, к выходу которого подключен якорь двигателя 3, а параллельно его трехфазному входу подключены конденсаторы 4 по схеме

"звезда" (как показано на рисунке) или по схеме "треугольник" (на рисунке не показано), а второй однофазный выпрямитель 5, к выходу которого подключена параллельно независимая обмотка возбуждения 6 и емкость сглаживающих конденсаторов 7 (последняя может Отсутствовать), своим входом подключен к выходу согласующего трансформатора 8, который своим входом подключен параллельно конденсаторам 1 в одной из фаз цепи переменного тока (на чертеже — параллельно конденсаторам 1-1 в фазе "А").

Работа схемы принципиально полностью идентична работе схемы по фиг.1 с учетом особенностей, вносимых трехфазным выполнением цепи переменного тока.

В соответствии с известными соотношениями для трехфазного выпрямителя 2 и принятыми обозначениями по рис.2 имеем:

tp-0,82 4 или, с учетом того, что cos35 =0,82: ! о= ld . С0$350 (15)

Up= 0,74 Ua (16) где Up — модуль линейного напряжения на входе выпрямителя 2, В соответствии с первым законом Кирхгофа для точки D

t>a=t о+(гд (17)

Параметры емкостей 1 (их сопротивление Х> и др,) определяются из выражения (7) по фазному напряжению сети Оф с учетом соотношения (15) и заданной величины пускового тока tz>.п., т.е. из выражения;

1д>.п соз35 = — - . (18)

Х т,к. в стоповом режиме якорная цепь двигателя 3 через мост 2 закорачивает емкости 4 . (точки D, E!n F) и емкости 1 оказываются подключенными к сети по схеме "звезда".

Сопротивление (емкость) конденсаторов 4 определяется исходя из обеспечения (с учетом выражения (16), напряжения сети и сопротивления конденсаторов 1) заданного значения напряжения на двигателе в режиме холостого хода, которое однозначно определяет частоту вращения идеального холОстого хода двигателя, На фиг,3 представлена векторная диаграмма токов и напряжений области двигательного режима по результатам расчета для схемы устройства по фиг.2, Расчеты проведены для двигателя мощностью 27 кВт напряжением 250 В при следующих расчетных условиях.

Все расчеты для целей удобства анализа проведены в относительных единицах.

3а базисные величины приняты номинальные параметры двигателя (напряжение, ток, сопротивление, частота вращения).

Относительное значение напряжения сети 0=0,92 (при стандартном напряжении питающего трансформатора 230 В).

Кратность пускового тока 2.25 (определяет выбор Х1). Принято Х1=0,3885 (здесь и далее все величины в относительных единицах).

Соотношение сопротивлений конденсаторов 1 и 4 равно X>:Хг=1:2 (определяют напряжение холостого хода).

Расчеты проведены численным методом при различных заданных значениях тока двигателя t> и представлены на фиг.3, Кривая А1А2А3 является годографом векторов тока ti с началом в точке О. Точки

l 2 и lp являются проекциями тока l1 на ось ординат и ось абсцисс, принятую за дейст-. вительную ось, соответственно.

Ток двигателя совмещен с действительной осью. Ток tz определяется из выражения (11) по соответствующим значениям напря30 жения 02, (на диаграмме не показано), по1учаемым в результате расчета итерацией, и опережает это напряжение (совпада ощее по фазе с активным током ip двигателя) на

900, т.е. совпадает с направлением оси ординат. Ток t t определяется из выражения (1}.

Вектор напряжения U > представляет собой падение напряжения в емкости сопротивления Х1 Oт тока t1 и отстает от него на

90 . Годографом концов векторов 01, имеющих начало в точке О, является кривая

C

Номинальному току двигателя на диаграмме отвечают точки Аг и Cz, а режиму хОлОстОГО хода — точки А3 и С3, На фиг.4 представлена векторная диаграмма токов для схемы устройства по фиг.2.

Вектор тока lp для удобства совмещен с действительной осью, а псевдовектор тока

tg двигателя, в соответствии с выражением (15), отстает от оси абсцисс на 350, В этих условиях принципиально диаграмма по фиг.4 идентична диаграмме по фиг.3 для однофазной цепи переменного тока.

1786626

Диаграмма на фиг,4 построена для со- . отношения сопротивлений Х> и Хг емкостей

1 и 2, равного 1:0,5. Напряжения на диаграмме не показаны с целью упрощения чтения диаграммы, т.к, интересующее напряжение U> определяется аналогично диаграмме на рис.3.

На фиг.5 представлены механические (фиг.5а) и скоростные (рис.5б) характеристики двигателя по результатам расчета схемы устройства по фиг.1 для условий по диаграмме фиг.3. Сплошными линиями показаны характеристики по предлагаемому способу включения обмотки возбуждения (фиг.11), а пунктирными линиями — при обеспечении в схеме прототипа независимого номинального возбуждения (Ф=1). Характеристики предлагаемого устройства получены при следующих условиях:

1, Сопротйвление якорной цепи — по обобщенным данным.

2, Зависимость потока возбуждения от входного тока (напряжения) обмотки возбуждения — по обобщенной кривой намагничивания.

3. Коэффициент согласования Кс в (3) принят равным Кс=2,08 из условия обеспечения номинального значения напряжения на обмотке возбужденйя при номинальном токе в якоре двигателя, когда напряжения на конденсаторах ;согласно расчета, имеет величину U1=0,48.

Из фиг.5а следует, что в предлагаемом устройстве, за счет автоматического изменения напряжения U> на входе обмотки возбуждения в соответствии с диаграммой по фиг.3, характеристика двигателя по сравнению со схемой прототипа (при независимом питании обмотки возбуждения) приобретает положительные свойства;

1. Увеличивается кратность пускового момента на единицу тока при перегрузках.

В частности, величина стопового момента . при этом же пусковом токе в принятых условиях расчета возрастает со значения 2,2 до значения 3,6, т.е. в 1,64 раза.

2. Увеличивается частота вращения при нагрузках, меньших номинальной. В частности, частота вращения холостого хода возрастает от значения 0,55 до значения 0,7 т,е. в 1,27 раза.

Изменением коэффициента согласования Кс в выражении (3) можно изменить форму механической и скоростной характеристик двигателя в предлагаемом устройстве, при прочих равных условиях, а именно; при уменьшении К снижается перегрузочная способность по моменту и возрастает частота вращения холостого хода, и наоборот- при увеличении К возрастает(с учетом

10 насыщения магнитной системы двигателя) перегрузочная способность по моменту и снижается частота вращения холостого хода

Коэффициент согласования может изменяться изменением коэффициента транс15 формации согласующего трансформатора.

Расчет магнитной цепи согласующего трансформатора необходимо выполнять по устройстве по рис.2, т.к, в стоповом режиме именно эти максимальные величины падения напряжения на конденсаторах 1 имеют место в соответствующих схемах.

Экономическая эффективность предлагаемого технического решения обусловлена повышением перегрузочной способности приводного двигателя и, соответственно, механизма по моменту и повышением час30 тоты вращения при малых нагрузках, что обеспечивает возмо>кность повышения.производительности механизма.

Формула изобретения

Электропривод постоянного тока, содержащий электродвигатель, якорная обмотка которого через первый выпрямитель подключена к первой батарее конденсаторов, а независимая обмотка возбуждения подключена к выводам постоянного тока второго выпрямителя, отличающийся

40 тем, что, с целью повышения надежности и улучшения качества управления, в него введены вторая конденсаторная батарея и трансформатор, включенный между выводами второй конденсаторной батареи и выводами переменного тока второго выпрямителя, причем конденсаторные батареи соединены в последовательную цепь и предназначены для подключения к сети переменного тока.

45 полному напряжению сети в устройстве по

20 рис.1 или по фазному напряжению сети в

1786626

1786626

04 ЮЮ g8 10 1г 44 16 уЮ г,р zzzр . д

@uzi

Составитель Г,Ходжаев

Техред М.Моргентал Корректор M. Têà÷

Редактор Т.Иванова

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород. ул.Гагарина, 101

Заказ 255 " Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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