устройство для улучшения коммутации коллекторных машин постоянного тока

Формула изобретения

Устройство для улучшения коммутации коллекторных машин постоянного тока, содержащее датчик тока якоря и блок управления, отличающееся тем, что сигнал обратной связи по состоянию коммутации с датчика радиосигналов через резонансный контур, затем через усилитель напряжения, затем через компаратор с регулируемым порогом подключен к входу инкрементного счетчика, выход и цепь сброса которого подключены к блоку управления, к которому подключена цепь управления аналогового мультиплексора, к первому входу которого подключен сигнал с датчика тока независимой обмотки дополнительных полюсов, ко второму входу - сигнал с датчика тока якоря, а выход подключен к аналого-цифровому преобразователю, выход которого соединен с блоком управления, вход устройства питания, выполненного на широтно-импульсном преобразователе, к которому подключена независимая обмотка дополнительных полюсов, и которое получает питание от вспомогательного источника напряжения, подключен к выходу цифроаналогового преобразователя, вход которого соединен с блоком управления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для улучшения коммутации коллекторных машин постоянного тока.

Известны устройства для контроля и улучшения коммутации коллекторных машин постоянного тока, в которых в качестве датчика коммутации используются: индукционные датчики, уложенные в открытые аксиальные пазы наконечников добавочных полюсов [Авторское свидетельство СССР 892587, Н 02 К 13/14] ; датчик добавочного тока коммутации, выполненный в виде вспомогательной секции, уложенной рядом с основной [Авторское свидетельство СССР 943995, Н 02 К 13/14]; датчики, регистрирующие световой эффект от искрения на основе фотоэлементов; датчики, содержащие дополнительную щетку вблизи сбегающего края одной из рабочих щеток [Авторское свидетельство СССР 970571, Н 02 К 13/14]. Перечисленные датчики предполагают либо изменение элементов конструкции машины, либо представляются недостаточно работоспособными для различных условий эксплуатации машины.

Известно устройство для контроля коммутации, содержащее датчик радиосигналов, сопровождающих искрение [Авторское свидетельство СССР 907476, G 01 R 31/34] . Последний тип датчика представляется наиболее надежным для эксплуатации и не требует конструктивных изменений машины постоянного тока.

Известны устройства для улучшения коммутации коллекторных машин постоянного тока, содержащие регулируемый источник питания, подключенный к основной или вспомогательной, или независимо включенной обмотке дополнительных полюсов.

Наиболее близким по техническому решению к заявляемому устройству улучшения коммутации коллекторных машин постоянного тока является выбранная в качестве прототипа электрическая машина постоянного тока с устройством формирования коммутирующего поля [Патент РФ 2119224, Н 02 К 13/14], содержащая главные полюсы, дополнительные полюсы, наконечники которых выполнены со скосом в тангенциальном направлении, с обмотками, подключенными к выходам усилителей; датчик частоты вращения якоря, датчик тока возбуждения; снабжена блоком синхронизации и расчета.

Вышеупомянутая система улучшения коммутации рассчитывает ток питания обмоток дополнительных полюсов на основании режима работы машины по значениям тока якоря, частоты вращения якоря и тока возбуждения. Данная система работоспособна как в статических, так и в динамических режимах работы машины. Недостатками ее являются: косвенный расчет тока питания дополнительных полюсов, отсутствие прямого контроля за состоянием щеточно-коллекторного узла, достаточно сложный алгоритм расчета с применением аппроксимаций и методов численного решения дифференциальных уравнений.

Предлагаемое устройство улучшения коммутации управляет током независимой обмотки дополнительных полюсов на основании значений тока якоря и сигнала с датчика контроля коммутации, т.е. имеет сигнал обратной связи по состоянию коммутации, что повышает точность работы устройства. Подобное устройство не требует сложных методов вычисления, т.к. работа блока управления сводится к подбору тока независимой обмотки дополнительных полюсов, критерием которого является минимизация сигнала с датчика коммутации.

Предлагаемое устройство для улучшения коммутации машины постоянного тока, содержащая главные полюсы и дополнительные полюсы стандартного исполнения, состоит из обмотки якоря, обмотки возбуждения, независимой обмотки дополнительных полюсов, датчика радиосигналов, расположенного в непосредственной близости к щеточному контакту, резонансного контура, усилителя напряжения, компаратора с регулируемым порогом, инкрементного счетчика, датчика тока якоря и датчика тока независимой обмотки дополнительных полюсов, аналогового мультиплексора, аналого-цифрового преобразователя, блока управления, считывающего состояние инкрементного счетчика и управляющего им, считывающего результат с аналого-цифрового преобразователя и управляющего аналоговым мультиплексором, и формирующего на основании этих сигналов через цифроаналоговый преобразователь задание на устройство питания, выполненного на широтно-импульсном преобразователе, к которому подключена независимая обмотка дополнительных полюсов.

На чертеже показана схема устройства для улучшения коммутации коллекторных машин постоянного тока. Машина постоянного тока 1, содержащая главные полюсы и дополнительные полюсы стандартного исполнения, состоит из обмотки якоря 2, независимой обмотки дополнительных полюсов 3, обмотки возбуждения 4 и подключена к источнику напряжения 5. Сигнал обратной связи по состоянию коммутации с датчика радиосигналов 6, расположенный вблизи щеточного контакта, через резонансный контур 7, выделяющий полезный сигнал, через усилитель напряжения 8, а затем через компаратор с регулируемым порогом 9 подключен к входу инкрементного счетчика 10, выход и цепь сброса которого подключены к блоку управления 11. Сигнал с датчика тока независимой обмотки дополнительных полюсов 16 подключен к первому входу аналогового мультиплексора 17, сигнал с датчика тока якоря 15 подключен ко второму входу аналогового мультиплексора 17, цепь управления которого подключена к блоку управления 11, а выход подключен к аналого-цифровому преобразователю 18, выход которого соединен с блоком управления 11, который рассчитывает и формирует задание через цифроаналоговый преобразователь 14 на вход устройства питания 12, выполненного на широтно-импульсном преобразователе, к которому подключена независимая обмотка дополнительных полюсов 3, получающее питание от вспомогательного источника напряжения 13.

Схема работает следующим образом.

Задачей устройства является повышение коммутационной способности коллекторной машины постоянного тока для различных режимов работы и различного состояния щеточного контакта. На чертеже изображена машина постоянного тока последовательного возбуждения, например тяговый двигатель, у которого вопросы повышения коммутационной способности и надежности стоят наиболее остро. Однако устройство может быть использовано также для коллекторной машины постоянного тока с любым типом возбуждения, не требуя каких-либо конструктивных изменений самой машины.

Датчик радиосигналов 6, расположенный вблизи щеточного контакта, фиксирует электромагнитные импульсы, вызванные процессами коммутации, резонансный контур 7 выделяет полосу частот, где наиболее высокая корреляция этих сигналов, усилитель напряжения 8 увеличивает амплитуду выделенных сигналов, компаратор с регулируемым порогом 9 вводит зону нечувствительности для повышения устойчивости блока управления. При коммутации, несопровождаемой искрением, сигнал на выходе усилителя напряжения 8 не превышает порогового значения заданного на компараторе с регулируемым порогом 9. При возникновении искрения амплитуда и плотность импульсов возрастает, превышается порог и сигнал на выходе компаратора с регулируемым порогом 9 поступает на инкрементный счетчик 10. Блок управления 11 считывает состояние инкрементного счетчика 10 через определенный интервал времени и сбрасывает его для нового счета, реализуя числоимпульсный преобразователь. Чем сильнее искрение, тем больше число импульсов, набранных инкрементным счетчиком за заданный интервал времени. Дисперсию показаний инкрементного счетчика можно снизить введением рекурсивного или не рекурсивного фильтра в состав блока управления 11. Блок управления 11 считывает значение тока якоря по цепи датчик тока якоря 15, аналоговый мультиплексор 17, аналого-цифровой преобразователь 18, что позволяет рассчитывать первоначальное значение тока независимой обмотки дополнительных полюсов 3. Затем блок управления рассчитывает составляющую и корректирует ток независимой обмотки дополнительных полюсов исходя из состояния инкрементного счетчика, стремясь минимизировать сигнал с датчика радиосигналов 6, что соответствует безыскровой коммутации. При этом дисперсия показаний инкрементного счетчика минимальна, что подтвердилось в ходе испытаний опытного образца. Таким образом, блок управления постоянно рассчитывает такое значение тока независимой обмотки дополнительных полюсов, при котором сигнал обратной связи по состоянию коммутации с датчика радиосигналов 6 имеет минимальную плотность и амплитуду. Так как независимая обмотка дополнительных полюсов является инерционным элементом, для повышения быстродействия блока управления необходимо осуществлять некоторую форсировку сигнала задания на устройство питания, что позволяет сделать обратную связь по току независимой обмотки дополнительных полюсов: датчик тока независимой обмотки дополнительных полюсов 16, аналоговый мультиплексор 17, аналого-цифровой преобразователь 18. Задание на ток независимой обмотки дополнительных полюсов поступает через цифроаналоговый преобразователь 14 на вход устройства питания 12, к которому подключена независимая обмотка дополнительных полюсов 3.

В качестве блока управления 11 можно использовать микропроцессорную систему. В качестве устройства питания 12, к которому подключена независимая обмотка дополнительных полюсов можно использовать, в зависимости от подводимой мощности и уровня используемого напряжения, широтно-импульсный преобразователь, который повышает динамику работы системы по сравнению с управляемым тиристорным выпрямителем.