устройство для улучшения коммутации коллекторных машин постоянного тока

Формула изобретения

Устройство для улучшения коммутации коллекторных машин постоянного тока, содержащее главные полюсы, дополнительные полюсы стандартного исполнения, подключенные к выходу устройства питания, датчик радиосигналов, датчик тока якоря, датчик тока дополнительных полюсов, блок управления, компаратор с регулируемым порогом, подключенный 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 якоря, ко второму входу – сигнал с датчика тока независимой обмотки дополнительных полюсов, 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, отличающееся тем, что сигналы обратной связи по состоянию коммутации формируются с двух датчиков радиосигналов, расположенных вблизи анодного и катодного щеточных контактов, через резонансные контуры, затем через усилители напряжения, затем через аналоговый мультиплексор, управляемый блоком управления, затем поступают на компаратор.

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, H 02 K 13/14]; датчик добавочного тока коммутации, выполненный в виде вспомогательной секции уложенной рядом с основной [Авторское свидетельство СССР №943995, H 02 K 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, H 02 K 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 улучшения коммутации [Патент №2189101 РФ, H 02 K 13/14], содержащая главные полюсы, дополнительные полюсы, подключенные к выходу устройства питания, датчик радиосигналов, датчик тока якоря, датчик тока дополнительных полюсов, блок управления.

Вышеупомянутая система улучшения коммутации управляет токами независимых обмоток дополнительных полюсов на основании значений тока якоря и сигнала с датчика контроля коммутации. Данная система работоспособна как в статических, так и в динамических режимах работы машины. Недостатком ее является то, что контроль коммутации осуществляется только по одному щеточному контакту, что в большинстве случаев может оказаться недостаточным. Известно из литературы [Вегнер О.Г. Теория и практика коммутации машин постоянного тока], что процесс коммутации, а значит, и искрение зависят от полярности щеточного контакта.

Предлагаемое устройство улучшения коммутации управляет токами независимых обмоток дополнительных полюсов на основании значений тока якоря и усредненных значений сигналов с датчиков контроля коммутации, установленных в непосредственной близости к анодному и катодному щеточному контакту, что повышает точность и надежность работы устройства. Подобное устройство не требует сложных методов вычисления, т.к. работа блока управления сводится к подбору токов независимых обмоток дополнительных полюсов, критерием которых является минимизация усредненных значений сигналов с датчиков коммутации.

Предлагаемое устройство для улучшения коммутации машины постоянного тока, содержащее главные полюсы и дополнительные полюсы стандартного исполнения, состоит из обмотки якоря, обмотки возбуждения, независимой обмотки дополнительных полюсов, двух датчиков радиосигналов, расположенных в непосредственной близости к анодному и катодному щеточным контактам, двух резонансных контуров, двух усилителей напряжения, подключенных к входам аналогового мультиплексора, компаратора, инкрементного счетчика, датчика тока якоря и датчика тока независимой обмотки дополнительных полюсов, подключенных к входам аналогово мультиплексора, аналого-цифрового преобразователя, блока управления, считывающего состояние инкрементного счетчика и управляющего им, считывающего результат с аналого-цифрового преобразователя и управляющего аналоговыми мультиплексорами, и формирующего на основании этих сигналов, через цифроаналоговый преобразователь, задание на устройство питания, выполненное на основе широтно-импульсного преобразователя, 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. Сигналы обратной связи по состоянию коммутации с датчиков радиосигналов 6 и 7, расположенных вблизи анодных и катодных щеточных контактов, через резонансные контура 8 и 9, выделяющие полезный сигнал, через усилители напряжения 10 и 11, а затем через аналоговый мультиплексор 12, управляемый блоком управления 15, через компаратор 13 подключены к входу инкрементного счетчика 14, выход и цепь сброса которого подключены к блоку управления 15. Сигнал с датчика тока независимой обмотки дополнительных полюсов 20 подключен ко второму входу аналогового мультиплексора 21, сигнал с датчика тока якоря 19 подключен к первому входу аналогового мультиплексора 21, цепь управления которого подключена к блоку управления 15, а выход подключен к аналого-цифровому преобразователю 22, выход которого соединен с блоком управления 15, который рассчитывает и формирует задание, выдаваемое через цифроаналоговый преобразователь 18, на вход устройства питания 16, выполненного на основе широтно-импульсного преобразователя, получающего питание от вспомогательного источника напряжения 17, к которому подключена независимая обмотка дополнительных полюсов 3.

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.

Датчики радиосигналов 6 и 7, расположенные вблизи анодных и катодных щеточных контактов, фиксируют электромагнитные импульсы, вызванные процессами коммутации, резонансные контуры 8 и 9 соответственно выделяют полосу частот, где наиболее высокая корреляция этих сигналов, усилители напряжения 10 и 11 увеличивают амплитуду выделенных сигналов, аналоговый мультиплексор 12, управляемый блоком управления 15, выбирает, с какого датчика сигналы поступят на компаратор 13, имеющий порог нечувствительности, для повышения устойчивости блока управления. При коммутации, несопровождаемой искрением, сигналы на выходах усилителей напряжения 10 и 11 не превышают порогового значения на компараторе. При возникновении искрения амплитуда и плотность импульсов возрастают, превышается порог и сигналы с выхода компаратора 13 поступают на инкрементный счетчик 14. Блок управления 15, управляя аналоговым мультиплексором 12, поочередно переключает сигналы с датчиков радиосигналов, считывает состояние инкрементного счетчика 14 через определенный интервал времени и сбрасывает его для нового счета, реализуя число импульсный преобразователь. Чем сильнее искрение, тем больше число импульсов, набранных инкрементным счетчиком за заданный интервал времени. Дисперсию показаний инкрементного счетчика можно снизить введением рекурсивного или нерекурсивного фильтра в состав блока управления 15. Блок управления 15 считывает значение тока якоря по цепи датчик тока якоря 19, аналоговый мультиплексор 21, аналого-цифровой преобразователь 22, 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 усредненных значений инкрементного счетчика, стремясь минимизировать сигнал с датчика радиосигналов 6 и 7, 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 сигналы обратной связи по состоянию коммутации с датчиков радиосигналов 6 и 7 имеют 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 обратная связь по току независимой обмотки дополнительных полюсов: датчик тока независимой обмотки дополнительных полюсов 20, аналоговый мультиплексор 21, аналого-цифровой преобразователь 22. Задание на ток независимой обмотки дополнительных полюсов поступает через цифроаналоговый преобразователь 18 на вход устройства питания 16, к которому подключена независимая обмотка дополнительных полюсов 3.

В качестве блока управления 15 можно использовать микропроцессорную систему. В качестве устройства питания 16, 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. Устройство питания 16 подключено к вспомогательному источнику напряжения 17.