устройство для сглаживания пульсаций магнитного потока двигателя постоянного тока

Формула изобретения

Устройство для сглаживания пульсаций магнитного потока двигателя постоянного тока, подключенное параллельно двигателю постоянного тока с последовательно соединенными обмотками якоря и возбуждения, содержащее трансформатор, выпрямитель, сглаживающий реактор, шунтирующий резистор, при этом вторичная обмотка трансформатора подключена к входу выпрямителя, отрицательный вывод которого подключен к обмотке возбуждения двигателя, параллельно которой подключен шунтирующий резистор, обмотка якоря двигателя связана с выходом сглаживающего реактора, отличающееся тем, что в него введены устройство вычисления заданного тока, система управления, компенсатор, первый и второй элементы сравнения, первый и второй датчики тока, при этом положительный вывод выпрямителя соединен с входом первого датчика тока, первый выход которого связан с входом сглаживающего реактора, второй выход первого датчика тока подключен к первому входу первого элемента сравнения через устройство вычисления заданного тока и ко второму входу напрямую, выход первого элемента сравнения связан с первым входом второго элемента сравнения, выход которого через систему управления подключен к входу компенсатора, первый выход которого подключен к входу второго датчика тока, а второй выход - к обмотке якоря двигателя, первый выход второго датчика тока соединен с входом сглаживающего реактора, а второй выход - ко второму входу второго элемента сравнения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для уменьшения пульсаций магнитного потока потребителей, имеющих в своем составе выпрямительно-инверторные преобразователи, в частности, на электроподвижном составе переменного тока.

В настоящее время электровозы переменного тока работают со значительными пульсациями выпрямленного тока и, соответственно, магнитного потока в обмотках возбуждения тяговых двигателей. Работа электровоза с большими пульсациями магнитного потока приводит к искрению на коллекторе тягового двигателя, приводящему к круговому огню на коллекторе и выходу двигателя из строя. Уменьшение пульсаций магнитного потока осуществляется путем сглаживания формы выпрямленного тока, протекающего в цепи обмотки возбуждения двигателя.

Известно устройство для сглаживания пульсаций магнитного потока двигателя постоянного тока [1], которое содержит трансформатор, выпрямитель, сглаживающий реактор и двигатель, состоящий из последовательно включенных обмоток якоря и возбуждения.

Первичная обмотка трансформатора подключена к сети. Вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель связана с последовательно соединенными сглаживающим реактором и двигателем. Питание устройства осуществляется от сети переменного тока.

Трансформатор передает переменное напряжение необходимого уровня на вход выпрямителя. Выпрямитель преобразует переменное напряжение вторичной обмотки трансформатора, вследствие чего на выходе выпрямителя формируется постоянное по величине напряжение пульсирующей формы. Под действием этого напряжения в цепи двигателя протекает постоянный по направлению ток, имеющий пульсации, вызванные пульсирующим выпрямленным напряжением. В обмотке сглаживающего реактора под действием выпрямленного напряжения возникает э.д.с. самоиндукции. На интервалах увеличения выпрямленного напряжения э.д.с. самоиндукции, направленная встречно напряжению, замедляет интенсивность нарастания выпрямленного тока. В это время в реакторе происходит запасание электромагнитной энергии. При уменьшении выпрямленного напряжения э.д.с. самоиндукции, изменяющая направление на противоположное, поддерживает ток в цепи двигателя за счет энергии, запасенной в сглаживающем реакторе на предыдущем интервале времени.

Достоинство известного устройства заключается в том, что наличие в цепи двигателя сглаживающего реактора способствует уменьшению пульсаций выпрямленного тока и, соответственно, магнитного потока двигателя. Уменьшение пульсаций магнитного потока снижает искрение на коллекторе двигателя и улучшает условия его работы.

Недостатком известного устройства являются ограниченные возможности по снижению пульсаций выпрямленного тока и магнитного потока. Это обусловлено тем, что индуктивность сглаживающего реактора и связанные с ней массогабаритные показатели реактора ограничены внутренними размерами кузова подвижного состава. Следствием этих ограничений остаются значительные пульсации выпрямленного тока, которые достигают 30%.

Наиболее близким по техническим решениям и достигаемому результату является устройство для сглаживания пульсаций магнитного потока двигателя постоянного тока [2], которое содержит трансформатор, выпрямитель, сглаживающий реактор, двигатель, состоящий из последовательно включенных обмоток якоря и возбуждения, и шунтирующий резистор.

Первичная обмотка трансформатора подключена к сети. Вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель связана с последовательно соединенными сглаживающим реактором и двигателем. Параллельно обмотке возбуждения подключен шунтирующий резистор. Для переменной составляющей выпрямленного тока сопротивление шунтирующего резистора выбирается меньше сопротивления обмотки возбуждения.

Трансформатор передает переменное напряжение необходимого уровня на вход выпрямителя, который преобразует переменное напряжение вторичной обмотки трансформатора, при этом на выходе выпрямителя формируется постоянное по величине напряжение пульсирующей формы. Под действием этого напряжения в цепи двигателя протекает постоянный по направлению ток, имеющий пульсации, вызванные пульсирующим выпрямленным напряжением. В обмотке сглаживающего реактора под действием выпрямленного напряжения возникает э.д.с. самоиндукции. На интервалах увеличения выпрямленного напряжения э.д.с. самоиндукции, направленная встречно напряжению, замедляет интенсивность нарастания выпрямленного тока. В это время в реакторе происходит запасание электромагнитной энергии. При уменьшении выпрямленного напряжения э.д.с. самоиндукции, изменяющая направление на противоположное, поддерживает ток в цепи двигателя за счет энергии, запасенной в сглаживающем реакторе на предыдущем интервале времени.

Шунтирующий резистор шунтирует переменную составляющую выпрямленного тока, поэтому постоянная составляющая выпрямленного тока протекает через обмотку возбуждения, а переменная составляющая этого тока замыкается через шунтирующий резистор. Это связано с тем, что сопротивление шунтирующего резистора для переменной составляющей выпрямленного тока меньше сопротивления обмотки возбуждения. Переменная составляющая выпрямленного тока замыкается через цепь шунтирующего резистора, минуя цепь обмотки возбуждения. Вследствие этого ток в обмотке возбуждения имеет меньшие пульсации.

Достоинством известного устройства является уменьшенный уровень пульсации тока, протекающего через обмотку возбуждения. Благодаря этому пульсации магнитного потока двигателя снижаются до 20% и улучшаются условия его работы. При этом еще больше уменьшается искрение на коллекторе двигателя.

Недостатком известного устройства является то, что, несмотря на снижение пульсаций тока, они остаются высокими, вызывая остаточные пульсации магнитного потока. Это обусловлено тем, что дальнейшее уменьшение пульсаций магнитного потока достигается уменьшением сопротивления шунтирующего резистора, которое приводит к уменьшению тока в обмотке возбуждения, что недопустимо для двигателя.

Другим недостатком устройства являются значительное искрение в переходном режиме работы двигателя. Это обусловлено тем, что наличие шунтирующего резистора приводит в этом режиме к перераспределению тока между обмоткой возбуждения и шунтирующим резистором, в результате которого уменьшается ток в обмотке возбуждения. Уменьшение тока обмотки возбуждения вызывает искрения на коллекторе двигателя.

В основу изобретения положена задача создания устройства для сглаживания пульсаций магнитного потока двигателя постоянного тока, которое благодаря созданию компенсационного тока позволяет практически до нуля уменьшить пульсации магнитного потока в установившемся режиме, а также исключить уменьшение тока в обмотке возбуждения в переходном режиме работы.

Для решения поставленной задачи в известное устройство для сглаживания пульсаций выпрямленного тока, подключенное параллельно двигателю с последовательно соединенными обмотками якоря и возбуждения, содержащее трансформатор, выпрямитель, сглаживающий реактор, шунтирующий резистор, при этом вторичная обмотка трансформатора подключена к входу выпрямителя, отрицательный вывод которого подключен к обмотке возбуждения двигателя, параллельно которой подключен шунтирующий резистор, обмотка якоря двигателя связана с выходом сглаживающего реактора, дополнительно введены устройство вычисления заданного тока, система управления, компенсатор, первый и второй элементы сравнения, первый и второй датчики тока, при этом положительный вывод выпрямителя соединен с входом первого датчика тока, первый выход которого связан с входом сглаживающего реактора, второй выход первого датчика тока подключен к первому входу первого элемента сравнения через устройство вычисления заданного тока и ко второму входу - напрямую, выход первого элемента сравнения связан с первым входом второго элемента сравнения, выход которого через систему управления подключен к входу компенсатора, первый выход которого подключен к входу второго датчика тока, а второй выход - к обмотке якоря двигателя, первый выход второго датчика тока соединен с входом сглаживающего реактора, а второй выход - с вторым входом второго элемента сравнения.

Заявляемое решение отличается от известного решения (прототипа) наличием новых элементов, а именно устройством вычисления заданного тока, системой управления, компенсатором, первым и вторым элементом сравнения, первым и вторым датчиком тока и новой взаимосвязью элементов устройства в целом. Наличие существенных отличительных признаков в заявляемом решении свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности "новизна".

Благодаря отличительным существенным признакам в совокупности с известными существенными признаками осуществляется компенсация переменной составляющей выпрямленного тока, которая приводит к уменьшению пульсаций в токе, протекающем через обмотку возбуждения двигателя, что логически вытекает из известного уровня техники.

Вместе с тем компенсация пульсаций выпрямленного тока кроме сглаживания тока позволяет, во-первых, увеличить коэффициент мощности преобразователя и, во-вторых, уменьшить действующее значение потребляемого тока.

Увеличение коэффициента мощности обусловлено тем, что первая гармоника пульсаций выпрямленного тока имеет реактивный характер и отстает от сетевого напряжения на 90 эл.град. Складываясь с сетевым током, пульсации выпрямленного тока вызывают еще большее отставание общего сетевого тока от напряжения, которое определяется фазовым углом сдвига между сетевым током и сетевым напряжением. Увеличение угла сдвига вызывает уменьшение cos и, соответственно, коэффициента мощности преобразователя к_м. Уменьшение угла сдвига , наоборот, увеличивает cos и коэффициент мощности к_м. Коэффициент мощности к_м связан с пульсациями тока соотношением к_м =к_мо/k_п, где к_мо - коэффициент мощности в отсутствии пульсаций, k_п - коэффициент пульсаций тока [3]. Таким образом, коэффициент мощности обратно пропорционален величине пульсаций выпрямленного тока (магнитного потока). Следовательно, уменьшение пульсаций тока приводит к увеличению коэффициента мощности.

Уменьшение действующего значения потребляемого тока обусловлено тем, что пульсирующий ток по сравнению с его постоянной составляющей имеет несколько большее значение. Это связано с тем, что пульсации тока, складываясь с постоянным значением выпрямленного тока, вызывают на отдельных временных интервалах увеличение мгновенных значений тока. Потребляемый преобразователем переменный ток I_п прямо пропорционален величине пульсаций: I_п=k_пI_d, где k_п - коэффициент пульсаций тока, I_d - выпрямленный ток [3]. Следовательно, уменьшение пульсаций тока приводит к уменьшению потребляемого тока и, соответственно, к уменьшению расхода электроэнергии.

Таким образом, благодаря отличительным существенным признакам в совокупности с известными существенными признаками в заявляемом устройстве проявляется новый результат (увеличение коэффициента мощности и уменьшение потребляемого тока), который логически не вытекает из известного уровня техники. Наличие нового результата, не вытекающего из известного уровня техники, свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

На фиг.1 представлена схема устройства для сглаживания пульсаций выпрямленного тока.

На фиг.2 показаны диаграммы выпрямленных токов прототипа (а) и заявляемого устройства (в), полученные в результате математического моделирования работы устройства с помощью пакета прикладных программ Design Lab [4].

Устройство для сглаживания пульсаций выпрямленного тока содержит трансформатор 1, выпрямитель 2, сглаживающий реактор 3, двигатель, состоящий из последовательно включенных обмоток якоря 4 и возбуждения 5, шунтирующий резистор 6, имеющий для переменного тока сопротивление, меньшее сопротивления обмотки возбуждения, устройство вычисления заданного тока 7, систему управления 8, компенсатор 9, первый 10 и второй 11 элементы сравнения, первый 12 и второй 13 датчики тока.

Первичная обмотка трансформатора 1 подключена к сети, а его вторичная обмотка соединена с входом выпрямителя 2, первый выход выпрямителя 2 связан с входом первого датчика тока 12, первый выход которого подключен к входу сглаживающего реактора 3, выход которого соединен с последовательно включенными обмоткой якоря 4 и обмоткой возбуждения 5 двигателя. Обмотка возбуждения 5 соединена со вторым выходом выпрямителя 2. Параллельно обмотке возбуждения 5 подключен шунтирующий резистор 6. Второй выход первого датчика тока 12 через устройство вычисления заданного тока 7 подключен к первому входу первого элемента сравнения 10. Выход первого элемента сравнения 10 связан с первым входом второго элемента сравнения 11, выход которого через систему управления 8 подключен к входу компенсатора 9. Первый выход компенсатора 9 соединен с входом второго датчика тока 13, первый выход которого связан с входом сглаживающего реактора 3, выход которого соединен со вторым выходом компенсатора 9. Вторые выходы первого 12 и второго 13 датчиков тока подключены соответственно ко вторым входам первого 10 и второго 11 элементов сравнения.

В заявляемом устройстве для сглаживания пульсаций магнитного потока двигателя постоянного тока трансформатор, выпрямитель, сглаживающий реактор, двигатель с обмоткой возбуждения являются типовыми узлами электровоза переменного тока. Устройство вычисления заданного тока и система управления реализованы на базе микроконтроллера PIC 16F84, компенсатор состоит из IGBT-транзисторов, собранных по схеме инвертора напряжения, в качестве первого и второго датчиков тока использованы датчики, выпускаемые фирмой Honeywell. Элементы сравнения собраны на основе операционных усилителей средней степени интеграции.

Устройство для сглаживания пульсаций выпрямленного тока работает следующим образом.

Трансформатор 1 передает переменное напряжение необходимого уровня на вход выпрямителя 2, который преобразует переменное напряжение вторичной обмотки трансформатора, при этом на выходе выпрямителя 2 формируется постоянное по величине напряжение пульсирующей формы. Под действием этого напряжения в цепи двигателя протекает постоянный по направлению ток, имеющий пульсации, вызванные пульсирующим выпрямленным напряжением. В обмотке сглаживающего реактора 3 под действием выпрямленного напряжения возникает э.д.с. самоиндукции. На интервалах увеличения выпрямленного напряжения э.д.с. самоиндукции, направленная встречно напряжению, замедляет интенсивность нарастания выпрямленного тока. В это время в реакторе 3 происходит запасание электромагнитной энергии. При уменьшении выпрямленного напряжения э.д.с. самоиндукции, изменяющая направление на противоположное, поддерживает ток в цепи двигателя за счет энергии, запасенной в сглаживающем реакторе 3 на предыдущем интервале времени.

Выпрямленный ток протекает в цепи, состоящей из двигателя с подключенным к нему шунтирующим резистором 6. Шунтирующий резистор 6 шунтирует переменную составляющую выпрямленного тока, поэтому постоянная составляющая выпрямленного тока протекает через обмотку возбуждения 5, а переменная составляющая этого тока замыкается через шунтирующий резистор 6. Это связано с тем, что сопротивление шунтирующего резистора 6 для переменной составляющей выпрямленного тока меньше сопротивления обмотки возбуждения 5. Переменная составляющая выпрямленного тока замыкается через цепь шунтирующего резистора 6, минуя цепь обмотки возбуждения 5. Вследствие этого ток в обмотке возбуждения 5 имеет меньшие пульсации.

Через первый датчик тока 12 замыкается цепь выпрямленного тока, в нем определяется текущее значение пульсирующего выпрямленного тока i (кривая а на фиг.2.) По величине этого тока в устройстве вычисления заданного тока 7 определяется постоянная составляющая выпрямленного тока i_п. На первый и второй входы первого элемента сравнения 10 поступают сигналы постоянной составляющей выпрямленного тока i_п и его текущего значения i, имеющие пульсации. Первый элемент сравнения 10 вычисляет разность этих сигналов, поэтому на его выходе формируется напряжение, пропорциональное переменной составляющей выпрямленного тока i _пер=i-i_п. Второй элемент сравнения 11 контролирует соответствие тока компенсатора i_к переменной составляющей выпрямленного тока i_пер и корректирует работу системы управления 8. По величине выходного сигнала второго элемента сравнения 11 система управления 8 формирует управляющее воздействие на компенсатор 9, при котором выходной ток компенсатора i_к=-i_пер равен и имеет противоположное направление пульсациям выпрямленного тока i _пер. В контуре нагрузки протекают два контурных тока: выпрямленный ток i=i_п+i_пер и ток компенсатора i _к. При сложении этих токов i_п+i_пер +i_к=i_п+i_пер-i_пер=i _п происходит компенсация переменной составляющей выпрямленного тока i_пер, в результате этого в цепи тока нагрузки протекает только постоянная составляющая тока i_п. Благодаря этому через обмотку возбуждения 5 протекает только постоянный по величине ток, в котором практически отсутствуют низкочастотные пульсации (кривая в на фиг.2).

Из фиг.2 видно, что при работе компенсатора выпрямленный ток (кривая в) имеет гораздо меньшие пульсации по сравнению с прототипом (кривая а). Небольшие по величине высокочастотные пульсации, связанные с работой компенсатора, не оказывают заметного влияния на величину пульсаций выпрямленного тока.

Использование устройства для сглаживания пульсаций магнитного потока двигателя постоянного тока позволяет уменьшить пульсации выпрямленного тока до 1,04%, т.е. в 21,6 раза. За счет этого коэффициент мощности преобразователя увеличивается на 2,3%, на столько же уменьшается величина потребляемого тока.

Источники информации

1. Л.А.Бессонов. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учебник. - М.: Гардарики, 2000.

2. Электровоз ВЛ85: Руководство по эксплуатации / Б.А.Тушканов и др. - М.: Транспорт, 1992.

3. Б.Н.Тихменев, Л.М.Трахтман. Подвижной состав электрифицированных железных дорог. Теория работы электрооборудования. Электрические схемы и аппараты. Учебник для вузов ж.-д. трансп. - М.: Транспорт, 1980.

4. В.Д.Разевиг. Система сквозного проектирования электронных устройств Design Lab 8.0. - М.: Солон, 1999.