Тепловая модель электродвигателя

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К, АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Соцналнстнческнк

Респубинк 871279 (6 l ) Дополмительмое к авт. свид-еу (22) Заявлено 29.01;80 (21) 2878395/24-07 с присоединением заявки М (23) Приоритет (51)М. Кл.

Н 02 К 11/00

Н 02 Н 7/085

1ввуааротвеииый комитет

Опубликовано 07.10.81. Бюллетень рй 37

Дата опубликоваммя описаиия 09.10.8f

40 делэм изобретений и открытий (5З)УЙК 621.316..925(.088,8) (72) Авторы изобретения

ГФ и

А. И. Зайцев, А. М. Литвиненко и В. Носков онежское

Воронежский политехнический институт и производственное объединение по выпуску механических прессов (7l) Заявители ельнс (54) ТЕПЛОВАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Изобретение относится к электротехнике, а Именно к системам элект-. ропривода, использующим тепловое токоограничение. К таким приводам относятся электромеханические системы промышленных роботов-манипуляторов, экструзионных машин, экскаваторов, ю электротрансмиссии подвижных объектов кузнечно-прессовых машин..

Известны тепловые модели Pl), где указано, что для того чтобы предельно использовать возможности двигателя по динамическому моменту и ускорению в режимах кратковременных перегрузок и в то же время не допустить уменьшения ресурса из-за превышения допустимого нагрева изоляции, необходимо вводить токовое ограничение с переменным уровнем, зависящим от превышения температуры якорной обмотки. В систему вводится упрежцающее тепловое токоограничение, при Ко тором уставка максимального тока зависит от перегрева якоря. Зависимость величины уставки от температуры перегрева формируется функциональным преобразователем (тепловой моделью двигателя) .

Известна также тепловая модель электродвигателя (2>, которая представляет собой спиральный проводник, обмотанный вокруг изолированной металлической пластины. В непосредственной близости от пластины располагается датчик температуры (термистор) .

Датчик, пластина и проводник покрыты слоем бандажа и компаунда. Постоянная времени нагрева изменяется эа счет изменения толщины пластинки и числа . т5 слоев бандажа. Такая физическая модель обладает следующими недостатками наличие специального датчика температуры усложняет конструкцию моде20 ли и снижает ее надежность; устройство моделирует только электротепловые процессы без учета потерь в стали, характерных для двигателей

71279 4

15

25

55

3 8

e ïå÷àòHûì якорем. Это не позволяет использовать модель с обычными электродвигателями, у которых потери в стали достигают примерно 15-20Х от всех потерь; невысокая степень универсальнос ти, вызванная специфическим назначением модели, Наиболее близким решением к изобретению является тепловая модель электродвигателя (3) . Известная модель представляет собой обмотку .из провода с тем же температурным коэффициентом сопротивления, как и обмотка якоря,. снаружи обмотка покрыта теплоизоляцией, а внутри нее располо1жен нагреватель. Модель снабжена уп- ° равляемым источником переменного тока и демодулятором, вход которого вместе с обмоткой присоединен к выходу управляемого источника. Термочувствительный элемент-сердечник выполнен из материала, одинакового с материалом магнитной цепи якоря двигателя. В случае выполнения цепи токстограничения двигателей постоянного тока на стороне переменного напряжения необходимость в управляемом модуляторе отпадает, функции демодулятора выполняет выпрямитель, включенный через стабилитрон на вход блока управления вентилями преобразователя.

Недостатком данного устройства является неполная адекватность процессов, протекающих в модели и в оригинале, вызванная этим низкая точность моделирования.

На холостом ходу потери в меди ротора двигателя постоянного тока минимальны вследствие небольшого значения тока холостого хода относительно номинального, а потери в стали наоборот максимальны, так как они пропорциональны частоте циклического перемагничивания (частоте вращения, которая максимальна на холостом ходу) . При набросе нагрузки до номинальной, а также вплоть до полного останова происходит резкое увеличение потерь в меди, а доля потерь в стали уменьшается с уменьшением частоты вращения. На интегральную температуру обмотки изменение ее сопротивления и температур" ное изменение тока двигателя, таким образом, оказывают влияние оба вида потерь, причем при минимальной нагруз» ке основная доля приходится на потери в меди, при увеличении нагрузки, их доля уменьшается, а потери в меди резко возрастают. При номинальнои наг рузке для машин общепромышленных серий при частотах вращения 15003000 об/мин доля потерь в стали относительно всех потерь составляет примерно 15-20Х. При этом для высокооборотных машин этот процент гораздо вьппе. Доля потерь в стали в общем балансе потерь увеличивается также при. увеличении частоты вращения выше номинальной при двухзонном регулировании скорости (ослаблением потока) или при повышении частоты вращения из-за технологических причин (сброс нагрузки, действие активных моментов и т.п.) . Неучет этого обстоятельства при применении вышеуказанной модели в качестве элемента токоограничения приводит к определенным ошибкам в задании уровня токоограничения. В частности, при минимальной нагрузке, сиг-,,нал с датчика тока также невелик. Тепловые нагрузки в дросселе . включен/ ном на выход трансформатора тока, также невелики, и, следовательно, уровень токоограничения изменяется незначительно. Между тем, из-за потерь в стали температура обмотки ротора и ее оопрэтивление изменяются в небольших (до 5%) пределах. При увеличении нагрузки сигнал с датчика тока увеличивается, потери в меди дросселя растут пропорционально потерям в меди якоря. В соответствии с этим меняется и уровень токоограничения. Однако, если в двигателе потери в стали уменьшаются с увеличением нагрузки и уменьшением частоты вращения, в дроссельной тепловой модели потери в стали, обусловленные намагничивающей си40 лой обмотки, также возрастают, что приводит к нагреву сердечника и дополнительному перегреву обмотки. Таким образом, при малых нагрузках наблюдается увеличение уровня токоограничения из-за дополнительного увеличения температуры модели, что приводит к недоиспользованию машины. Это недоиспользование достигает 20% относительно уровня основной уставки, рассчитанной по потерям в меди.:

Целью изобретения являются .увеличение точности моделирования путем учета потерь в стали, повьппение сте пени адекватности модели при перегреве электродвигателя.

Указанная цель достигается тем, что в модель введены второй сердечник с двумя обмотками и дополнительная об871279 6 энергии из электрической в тепловую.

При этом элементы и система в целом могут пропустить энергетический поток выше определенной интенсивности. Мгновенные значения температуры якоря ограничены различными физическими явлениями, связанными с фазовыми переходами в проводниках, изоляции, магнитных материалах и приводящими якорь к выходу из строя. При нагреве происходит изменение сопротивления якоря, что приводит к изменению коэффициента передачи цепи токоограничения.

Изменение температуры якоря происходит вследствие разного рода потерь, Одни из них пропорциональны току на- грузки и моменту (потерь в меди), другие — пропорциональны частоте вращения (потери в стали, механические, вентиляционные) . Тепловая компенсирующая модель 4 представляет собой устройство для алгебраического суммирования сигналов, пропорциональных этим потерям, и ввода соответствующей поправки. Сигнал, пропорциональный току, подается на обмотки 5, 6 и моделирует потери в меди. Сигнал, пропорциональный частоте вращения, подается на обмотки 9 и 10 и моделирует потери в стали, Элементом суммирования служат сердечники 7 и 8, которые одновременно являются дополнительными нагревателями и служат в качестве теплоаккумуляторов для моделирования постоянных времени нагрева двигателя. Для целей теплоаккумулирования служит и изоляция между сердечником и обмотками. Разделение сердечников произведено в целях выделения потерь на вихревые токи, пропорциональные частоте вращения.

Рассмотрим работу привода с максимальной скоростью. .При этом сигнал на обмотках 5 и 6 относительно невелик, уровень перегрева этих обмоток и изменение их сопротивлений также малы. Однако сигнал на обмотках 9 и 10 максимален.

Вследствие этого уровень перегрева сердечников 7 и 8 и, по прошествии времени разогрева, и перегрев обмоток 5 и 6, будет определяться сигналом с модулятора 15, т.е. потерями в стали ротора, максимальными при больших частотах вращения. Рассмотрим теперь работу привода с минимальной скоростью и максимальнои нагрузкой.

Тогда сигнал на обмотках 5 и 6 будет максимален, а сигнал на обмотках 9 мотка на первом сердечнике, причем одна пара обмоток сердечников включена согласно и подсоединена к датчику тока, а другая пара включена встречно и присоединена к датчику частоты вращения.

На чертеже изображена тепловая модель.

Тепловая модель электродвигателя входит в состав узла токоограничения 10 замкнутой системы электропривода ТП-Д.

Система имеет двигатель 1, питающийся от тиристорного преобразователя 2.

На стороне переменного напряжения включен трансформатор 3 тока, параллельно вторичной обмотке которого включена тепловая модель 4, представляющая собой обмотки 5 и 6, включенные согласно и намотанные на сердечнике 7 и 8, на которые также намота20 ны обмотки 9 и IO включенные встречно. Далее модель соединена, как обычно, с выпрямителем, стабилитроном, нагрузочными резисторами, посредством

:которых сигнал подается на промежуточ25 ный усилитель Il. Далее сигнал токо ° ограничения суммируется с управляющим сигналом от блока 12 управления и подается на цепи системы импульсно-фазового управления (СИФУ) 13. С двига30 телем на одном валу сидит тахогенератор 14 .постоянного тока, который через модулятор 15 подключен к обмоткам 9 и 1О тепловой модели. В случае применения тахогенератора переменного тока установка модулятора не требуется.

Кроме того, .в случае достаточного уровня оборотных, полюсных или зубцовых пульсаций тахогенератора, возможно питание обмоток 9 и 10 непосредственно îт выходных зажимов тахогенера- тора через соответственно подобранный разделительный конденсатор.

Работа системы с тепловой моделью происходит следующим образом.

Двигатель 1 отрабатывает заданный режим работы при гомощи преобразователя 2, усилителя 11, блока 12 и модулятора 15. В начальный период времени или при работе на небольшие нагрузки двигатель имеет температуру, близкую к температуре окружающей среды. Коэффициент обратной связи по току имеет определенное, постоянное значение, определяемое конструктивными параметрами машины и параметрами трансформа- ss тора тока и обмоток 5, 6, 9, IO. При дальнейшей работе системы в каждом из ее элементов происходит преобразование

871279

Формула изобретения

7 и 10 незначителен. Уровень перегрева обмоток 5 и 6, и, следовательно,подстройка токоограничения будет определяться потерями в меди самих обмоток и потерями на вихревые токи в сердечниках 7 и 8, действующими на перегрев обмоток с постоянной времени тепловой связи сердечник"обмотка. Таким образом, уровень компенсации определяется только потерями в меди. Во всех дру/ гих промежуточных случаях будет наблюдаться определенный сигнал и на, обмотках 5 и 6, и на обмотках 9, 10, а уровень интегрального перегрева, и, следовательно, уровень компенсации будет пропорционален суммарным потерям.

Применение изобретения позволяет повысить точность обратной связи по току, а следовательно и точность системы в целом. Это становится возможным благодаря температурной компенсации сигнала обратной связи по току, приведет к попному использованию двигателя по нагреву, т.е. ловышению эффективности работы механизма. В то же время ток двигателя не может превысить допустимых пределов, Это повьппает срок службы изоляции, а следовательно, и самого электродвигателя. Тепловая модель электродвигателя, содержащая датчик тока, ферромагнитный сердечник с обмоткой и модулятор, 5 о т л и ч.а ю щ а я с я тем, что, с целью повьпиения степени адекватности и увеличения точности моделирования путем учета потерь в стали при перегреве электродвигателя, в нее

10 введены второй сердечник с двумя об1мотками и дополнительная обмотка на первом сердечнике, причем одна пара обмоток сердечников включена согласно и подсоединена к датчику тока, а дру15 гая пара включена встречно и присоединена к датчику частоты вращения, выполненному в виде тахогенератора постоянного тока.

2. Модель по п. 1, о т л и ч, а ю— щ а я с я тем, что в качестве датчика частоты вращения использован тахогенератор переменного тока.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Каган В.Г. Электроприводы с предельным быстродействием для систем воспроизведения движений. — М., Энергия, 1975, с. 222-224.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 512531, кл. Н 02 К 11/00, 1973.

3. Авторское свидетельство СССР

N9 748641, кл. Н 02 Н 7/08, 1978.

87)279

Составитель С, Курбангалиева

«РедактооГ» Петрова Техоел Корвектов С. Шекмад>

Заказ 8452/27 Тираж. 733 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

)13035 Москва Ж-35 Раушская наб. д. 4 5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4