Патент на изобретение №2254665

(54) ЭЛЕКТРОПРИВОД

(57) Реферат:

Изобретение относится к электроавтоматике. Технический результат заключается в повышении надежности регулирования скорости в электроприводе постоянного тока. Для этого устройство содержит двигатель постоянного тока независимого возбуждения, датчик тока, усилитель мощности, регулятор тока, регулятор скорости, задатчик и датчик скорости, элемент сравнения, управляемый ключ и датчик напряжения, кроме того, дополнительно введены второй элемент сравнения, нелинейный функциональный преобразователь, реализующий функцию

где, , u₂ – первый и второй входные сигналы; U_e – напряжение, соответствующее уровню логической единицы, масштабирующий усилитель, сумматор и блок ограничения, вход которого подключен к выходу первого элемента сравнения, а выход соединен с первым входом сумматора, второй вход которого через управляемый ключ соединен с выходом второго элемента сравнения, а выход подключен к входу регулятора скорости, суммирующий вход второго элемента сравнения подключен к выходу задатчика скорости, а вычитающий вход соединен с выходом датчика напряжения, управляющий вход ключа соединен с выходом нелинейного функционального преобразователя, первый вход которого подключен к выходу первого элемента сравнения, а второй вход через масштабирующий усилитель соединен с выходом задатчика. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к электроавтоматике и предназначено для использования в составе автоматизированных промышленных технологических комплексов.

Известны электроприводы, содержащие электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения, якорная обмотка которого через датчик тока подключена к выходу усилителя мощности, вход которого соединен с выходом регулятора тока, подключенного суммирующим входом к выходу регулятора скорости, а вычитающим входом к выходу датчика тока, задатчик и датчик скорости, выходы которых подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам элемента сравнения, выход которого соединен с входом регулятора скорости, и датчик напряжения, подключенный к якорной обмотке двигателя (Патент РФ №2065660. Опубл. 20.08.96, Бюл. №23, МПК Н 02 Р 5/06; Тиристорные электроприводы постоянного тока / А.Г.Иванов и др. – Электротехника, 2001, №2, с.10-15, рис.3).

В известных электроприводах осуществляется регулирование скорости и подчиненное регулирование тока двигателя. Недостатком известных технических решений является низкая надежность регулирования: при нарушении обратной связи по скорости, например при неисправности датчика обратной связи или неправильном его включении при монтаже системы электропривода, происходит неуправляемый процесс разгона электродвигателя до максимальной скорости. Это может провести к аварии приводного агрегата и объекта управления.

Следовательно, недостатком известных электроприводов является низкая надежность системы регулирования.

Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому по достигаемому результату является электропривод, содержащий электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения, якорная обмотка которого через датчик тока подключена к выходу усилителя мощности, вход которого соединен с выходом регулятора тока, подключенного суммирующим входом к выходу регулятора скорости, а вычитающим входом к выходу датчика тока, задатчик и датчик скорости, выходы которых подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам элемента сравнения, выход которого соединен с входом релейного элемента, управляемый ключ и датчик напряжения, подключенный к якорной обмотке двигателя, блок выделения модуля, элемент ИЛИ, последовательно соединенные апериодический фильтр и пороговый элемент, блок перемножения, первый вход которого объединен с первым входом управляемого ключа и подключен к выходу датчика тока, второй вход подключен через блок выделения модуля к выходу датчика напряжения, а выход подключен к объединенным второму входу управляемого ключа и входу апериодического фильтра, выход которого соединен с одним из входов элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу релейного элемента, а выход соединен с управляющим входом ключа, выход которого соединен с вычитающим входом регулятора тока (Патент РФ №2001498. Опубл. 15.10.93, Бюл. №37-38. МПК Н 02 Р 5/06).

Известный электропривод содержит два контура регулирования: главный, образованный регулятором скорости и датчиком скорости, и внутренний подчиненный, который в зависимости от режима работы электропривода выполняет подчиненное регулирование тока или мощности. В установившихся режимах при малых ошибках регулирования скорости и при отсутствии перегрузок по мощности в подчиненном контуре действует отрицательная обратная связь по току, благодаря чему обеспечивается постоянство статических характеристик системы. В динамических режимах при больших изменениях ошибки регулирования скорости и при перегрузках во внутреннем контуре действует отрицательная обратная связь по мощности, благодаря чему минимизируется мощность, потребляемая электродвигателем.

Недостатком известного технического решения является низкая надежность регулирования. При нарушении обратной связи по скорости, например при неисправности датчика или цепи обратной связи, неправильном включении датчика при монтаже системы электропривода и др., происходит неуправляемый процесс разгона электродвигателя до максимальной скорости. Это может привести к аварии приводного агрегата или объекта управления.

Таким образом, недостаток известного электропривода – низкая надежность системы регулирования.

Цель предлагаемого изобретения – повышение надежности системы регулирования.

Поставленная цель достигается тем, что в известный электропривод, содержащий двигатель постоянного тока независимого возбуждения, якорная обмотка которого через датчик тока подключена к выходу усилителя мощности, вход которого соединен с выходом регулятора тока, подключенного суммирующим входом к выходу регулятора скорости, а вычитающим входом к выходу датчика тока, задатчик и датчик скорости, выходы которых подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам элемента сравнения, управляемый ключ и датчик напряжения, подключенный к якорной обмотке двигателя, дополнительно введены второй элемент сравнения, нелинейный функциональный преобразователь, реализующий функцию

где , u₂ – первый и второй входные сигналы;

U_e – напряжение, соответствующее уровню логической единицы, масштабирующий усилитель, сумматор и блок ограничения, вход которого подключен к выходу первого элемента сравнения, а выход соединен с первым входом сумматора, второй вход которого через управляемый ключ соединен с выходом второго элемента сравнения, а выход подключен к входу регулятора скорости, суммирующий вход второго элемента сравнения подключен к выходу задатчика скорости, а вычитающий вход соединен с выходом датчика напряжения, управляющий вход ключа соединен с выходом нелинейного функционального преобразователя, первый вход которого подключен к выходу первого элемента сравнения, а второй вход через масштабирующий усилитель соединен с выходом задатчика.

По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемое техническое решение имеет следующие новые признаки:

– второй элемент сравнения;

– сумматор;

– блок ограничения

– нелинейный функциональный преобразователь, реализующий функцию

– масштабирующий усилитель.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».

При реализации предлагаемого изобретения повышается надежность регулирования скорости за счет действия в системе двух обратных связей – по напряжению, которая обеспечивает грубое регулирование скорости с погрешностью, зависящей от момента нагрузки, и по скорости, обеспечивающей точное регулирование скорости. Благодаря этому при неисправности датчика электропривод сохраняет работоспособность и выполняет свои функции, но с пониженной точностью. При неправильном включении датчика скорости, например при ошибочном замыкании положительной обратной связи по скорости, электропривод не теряет устойчивость, а работает при постоянной скорости, соответствующей значению ошибки, величина которой зависит от момента нагрузки.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».

По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники, автоматики и электропривода.

Известны элементы сравнения в электроприводах, выполняющие функции вычисления разности между сигналом задания и выходным напряжением усилителя мощности (Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А.Елисеева и А.В.Шинянского. – М., Энергоатомиздат, 1983, с.246-247, рис.7.34).

В известных технических решениях и предлагаемом указанные элементы сравнения выполняют аналогичные функции.

Известны масштабирующие усилители в электроприводах, выполняющие функцию масштабирования сигналов (Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А.Елисеева и А.В.Шинянского. – М., Энергоатомиздат, 1983, с.246-247, рис.7.34).

В известных технических решениях и предлагаемом масштабирующие усилители выполняют аналогичные функции.

Известны блоки ограничения сигналов в электроприводах (Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А.Елисеева и А.В.Шинянского. – М., Энергоатомиздат, 1983, с.246-247, рис.7.34; Тиристорные электроприводы постоянного тока / А.Г.Иванов и др. – Электротехника, 2001, №2, с.10-15, рис.3).

В известных технических решениях и предлагаемом указанные элементы выполняют аналогичные функции.

Известны сумматоры в электроприводах, выполняющие функции суммирования различных сигналов (Справочник по автоматизированному электроприводу / Под ред. В.А.Елисеева и А.В.Шинянского. – М., Энергоатомиздат, 1983, с.246-247, рис.7.34; Тиристорные электроприводы постоянного тока / А.Г.Иванов и др. – Электротехника, 2001, №2, с.10-15, рис.3).

Однако сумматоры, выполняющие функции суммирования сигналов, пропорциональных рассогласованиям по скорости и напряжению, аналогичные сумматору в предлагаемом электроприводе, в известных технических решениях не обнаружены.

Нелинейные функциональные преобразователи, реализующие функцию

в известных устройствах аналогичного назначения не обнаружены.

Предлагаемое техническое решение отличается от известных также новыми связями известных элементов.

Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническом решению соответствие требованию «существенные отличия».

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 показана схема электропривода, на фиг.2 приведены диаграммы переходных процессов в электроприводе при различных воздействиях.

Электропривод содержит задатчик скорости 1, масштабирующий усилитель 2, первый 3 и второй 4 элементы сравнения, нелинейный функциональный преобразователь 5, реализующий функцию

блок ограничения 6, управляемый ключ 7, сумматор 8, регулятор скорости 9, регулятор тока 10, усилитель мощности 11, датчик тока 12, задатчик напряжения 13, двигатель постоянного тока независимого возбуждения 14, датчик скорости 15.

В предлагаемом электроприводе якорная обмотка двигателя постоянного тока независимого возбуждения 14 через датчик тока 12 подключена к выходу усилителя мощности 11, вход которого соединен с выходом регулятора тока 10, подключенного суммирующим входом к выходу регулятора скорости 9, а вычитающим входом к выходу датчика тока 12, выходы задатчика 1 и датчика 15 скорости подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам первого элемента сравнения 3, выход которого соединен с объединенными входом блока ограничения 6 и первым входом нелинейного функционального преобразователя 5, второй вход которого подключен через масштабирующий усилитель к выходу задатчика 1, суммирующий и вычитающий входы второго элемента сравнения 4 подключены к выходам соответственно задатчика скорости 1 и датчика напряжения 13, а выход через управляемый ключ 7 соединен с одним из входов сумматора 8, другой вход которого подключен к выходу блока ограничения 6, а выход соединен с входом регулятора скорости 9, управляющий вход управляемого ключа 7 соединен с выходом нелинейного функционального преобразователя 5; вход датчика напряжения 13 подключен к якорной обмотке двигателя 14.

Электропривод работает следующим образом.

Якорная обмотка двигателя постоянного тока независимого возбуждения 14 подключена к выходу усилителя мощности 10. Регулирование скорости двигателя осуществляется изменением напряжения на якорной обмотке. Скорость двигателя 14 измеряется датчиком скорости 15, например тахогенератором. Ток двигателя 14 измеряется с помощью датчика тока 12, например шунта. Измерение напряжения на якорной обмотке двигателя 14 производится датчиком напряжения 13.

На суммирующий вход первого элемента сравнения 3 с выхода задатчика скорости 1 поступает сигнал u₃, пропорциональный требуемому значению скорости двигателя 14. На вычитающий вход первого элемента сравнения 3 поступает выходной сигнал u₁₅ датчика скорости 15, пропорциональный скорости , вращения ротора двигателя 14. В элементе сравнения производится вычисление ошибки регулирования =u₁-u₁₅. Сигнал с выхода элемента сравнения 2 поступает на объединенные первый вход нелинейного функционального преобразователя 5 и вход блока ограничения 6. На втором входе нелинейного функционального преобразователя 5 действует сигнал u₂ с выхода масштабирующего усилителя 2, пропорциональный сигналу задания u₃. На выходе нелинейного функционального преобразователя 6 формируется сигнал

где , u₂ – первый и второй входные сигналы;

U_e – напряжение, соответствующее уровню логической единицы.

Выходной сигнал блока ограничения 6 имеет вид

где _м – максимальное значение выходного сигнала блока ограничения.

Второй элемент сравнения 4, на суммирующий и вычитающий входы которого поступают сигналы с выходов соответственно задатчика скорости 1 и датчика напряжения 13, вычисляет рассогласование u₄==u₁-u₁₃. В электроприводе постоянного тока скорость двигателя прямо пропорциональна напряжению и на якорной обмотке и моменту сопротивления нагрузки М_c.

где с – конструктивная постоянная двигателя,

r – сопротивление якорной обмотки.

Поэтому

следовательно, рассогласование по напряжению в системе электропривода отличается от рассогласования по скорости на величину, пропорциональную моменту нагрузки М_c.

Сигнал u₄ с выхода второго элемента сравнения 4 через управляемый ключ 7 поступает на один из входов сумматора, на втором входе которого действует выходной сигнал блока ограничения 5. Управляемый ключ 7 в соответствии с алгоритмом (1) работы нелинейного функционального преобразователя 5 замкнут при |||u₂| и разомкнут при ||<|u₂|. Это означает, что при большой ошибке системы электропривода по скорости величина этой ошибки на входе сумматора 8 и соответственно регулятора скорости 9 ограничивается значением _м, а на другом входе сумматора 8 действует сигнал, пропорциональный рассогласованию по напряжению, который также поступает на вход регулятора скорости 9. Регулятор скорости 9 преобразует входной сигнал в соответствии с законом регулирования, например пропорционально-интегральным, и формирует сигнал задания для подчиненного контура регулирования тока 10, который в свою очередь формирует сигнал управления для усилителя мощности 11.

Работа системы управления происходит таким образом, что величина суммарной ошибки u₄+u₆ уменьшается, а следовательно, уменьшаются и .

При достижении рассогласованием системы по скорости значения u₂ происходит изменение выходного сигнала нелинейного функционального преобразователя 5 и размыкание управляемого ключа 7. Далее электропривод функционирует как двухконтурная система регулирования скорости с подчиненным контуром регулирования тока. Рассогласование электропривода при этом достигает значения, величина которого определяется структурой электропривода и погрешностью датчика скорости.

Таким образом, в предлагаемом электроприводе осуществляется регулирование скорости с помощью двух обратных связей – по напряжению, которая обеспечивает грубое регулирование скорости с погрешностью, зависящей от момента нагрузки, и по скорости, обеспечивающей точное регулирование скорости. Благодаря этому при неисправности датчика электропривод сохраняет работоспособность и выполняет свои функции, но с пониженной точностью. При неправильном включении датчика скорости, например при ошибочном замыкании положительной обратной связи по скорости, электропривод не теряет устойчивость, а работает при постоянной скорости, соответствующей значению ошибки _м. Следовательно, в предлагаемом электроприводе обеспечивается повышенная надежность регулирования скорости.

Другое важное достоинство предлагаемого электропривода – улучшенные энергетические характеристики в динамических режимах. Это объясняется тем обстоятельством, что при больших рассогласованиях переходные процессы в электроприводе происходят при действии обратной связи по напряжению. В этом случае потери в якорной обмотке минимальны, а кпд пуска достигает 90%. При этом переходный процесс происходит при минимальном перерегулировании.

С целью подтверждения положительного эффекта, достигаемого при использовании предлагаемого технического решения, было выполнено имитационное моделирование электропривода, реализованного по схеме, изображенной на фиг.1. Параметры системы имели следующие значения.

Двигатель постоянного тока: активное сопротивление якоря r=1 Ом; индуктивность якорной цепи L=0,01 Гн; конструктивная постоянная с=1 В·с/рад; приведенный момент инерции J=0,2 кг·м².

Усилитель мощности: коэффициент передачи k_y=40;

Датчики: коэффициент передачи датчика напряжения k_u=0,1; коэффициент передачи тахогенератора k =0,1 В·с/рад; коэффициент передачи датчика тока k_i=0,1 В/А.

ПИ-регулятор тока: коэффициент передачи k_рт=0,6; постоянная времени Т_рт=0,01 с.

ПИ-регулятор скорости: коэффициент передачи регулятора k_pc=4; постоянная времени T_рс=0,04 с.

Масштабирующий усилитель: коэффициент передачи k=0,1.

Результаты имитационного моделирования приведены на фиг.2, где показаны переходные процессы для скорости, напряжения и тока в электроприводе. В момент времени t=0 происходит включение привода при статическом моменте нагрузки М_c=0. В интервале времени 0tt₁ управляемый ключ 7 замкнут и в системе происходит переходный процесс при совместном действии обратных связей по напряжению и скорости, но сигнал ошибки по скорости на выходе блока ограничения 7 сохраняет постоянное значение _м. В результате этого характер переходного процесса определяется действием обратной связи по напряжению. В момент времени t=t₁ изменяется сигнал на выходе нелинейного функционального преобразователя 5, управляемый ключ 7 размыкается, и действие обратной связи по напряжению прекращается. В результате после кратковременного переходного процесса в системе устанавливается заданное значение скорости. В момент времени t=t₂ происходит увеличение статического момента нагрузки М_с=1 Н·м. Установившееся значение скорости при этом не изменяется. В момент времени t=t₃ происходит обрыв датчика обратной связи по скорости. При этом имеет место снижение установившейся скорости, но функционирование привода продолжается. В момент времени t=t₄ момент нагрузки скачком уменьшается до 0. Установившееся значение скорости при этом увеличивается. Таким образом, в предлагаемом электроприводе при обрыве цепи обратной связи сохраняется работоспособность, но при этом имеет место снижение показателей качества регулирования.

Таким образом, использование в известном электроприводе, содержащем двигатель постоянного тока независимого возбуждения, дополнительно второго элемента сравнения, нелинейного функционального преобразователя, реализующего функцию

где, , u₂ – первый и второй входные сигналы; U_e – напряжение, соответствующее уровню логической единицы, масштабирующего усилителя, сумматора и блока ограничения, повышает надежность системы регулирования.

Использование предлагаемого устройства в различных промышленных системах позволит улучшить технические характеристики оборудования, оснащенного электроприводами.

Формула изобретения

Электропривод, содержащий двигатель постоянного тока независимого возбуждения, якорная обмотка которого через датчик тока подключена к выходу усилителя мощности, вход которого соединен с выходом регулятора тока, подключенного суммирующим входом к выходу регулятора скорости, а вычитающим входом к выходу датчика тока, задатчик и датчик скорости, выходы которых подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам элемента сравнения, управляемый ключ и датчик напряжения, подключенный к якорной обмотке двигателя, отличающийся тем, что в него дополнительно введены второй элемент сравнения, нелинейный функциональный преобразователь, реализующий функцию

где , u₂ – первый и второй входные сигналы;

U_e – напряжение, соответствующее уровню логической единицы,

масштабирующий усилитель, сумматор и блок ограничения, вход которого подключен к выходу первого элемента сравнения, а выход соединен с первым входом сумматора, второй вход которого через управляемый ключ соединен с выходом второго элемента сравнения, а выход подключен к входу регулятора скорости, суммирующий вход второго элемента сравнения подключен к выходу задатчика скорости, а вычитающий вход соединен с выходом датчика напряжения, управляющий вход ключа соединен с выходом нелинейного функционального преобразователя, первый вход которого подключен к выходу первого элемента сравнения, а второй вход через масштабирующий усилитель соединен с выходом задатчика.

РИСУНКИ