РЕВЕРСИВНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА С ДВИГАТЕЛЕМ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
REVERSIBLE DIRECT CURRENT DRIVE WITH SEQUENTIAL EXCITATION MOTOR (VERSIONS)

Изобретение относится к электроприводу постоянного тока с импульсным регулированием скорости и может найти применение на электрифицированных транспортных средствах, например на электротележках, электропогрузчиках с питанием тягового двигателя от аккумуляторной батареи, в том числе при переоборудовании действующего парка средств напольного транспорта с аккумуляторным питанием.
Известен реверсивный электропривод постоянного тока с двигателем последовательного возбуждения, содержащий реверсивный переключатель в цепи якоря, управляемый ключевой элемент в силовой цепи электродвигателя, шунтирующий диод и низковольтный источник подпитки обмотки возбуждения, соединенный одним выводом с управляемым ключевым элементом, а другим выводом - через два диода с зажимами якорной цепи электродвигателя (см. а.с. 483752 СССР, МКИ Н02Р 1/22, заявл. 19.03.1973, опубл. 05.09.1975, Бюллетень №33). Как наиболее близкий к предлагаемому электроприводу он принят в качестве прототипа.
Известный электропривод обеспечивает:
- реверс электродвигателя с помощью специального переключателя в его якорной цепи;
- работу двигателя на мягкой механической характеристике при повышенных нагрузках и жесткой характеристике ограничения скорости в области малых и отрицательных нагрузок, с автоматическим переходом из двигательного режима в режим рекуперативного торможения и обратно;
- безреостатный пуск и импульсное регулирование скорости, как в двигательном режиме, так и в режиме рекуперативного торможения при движении транспортного средства на самокатном уклоне;
- устойчивое остановочное торможение с импульсным регулированием в широком диапазоне скоростей.
Для реализации указанных режимов работы в электроприводе использован пятипозиционный переключатель ручного действия с перемещением из нулевого положения в одном или другом направлении в зависимости от выбранного направления движения транспортного средства.
Реверсивные переключатели ручного действия нашли широкое применение на некоторых рельсовых транспортных средствах (например, рудничных электровозах), но они практически неприемлемы для электрифицированных транспортных средств с рулевым управлением (троллейбусы, электромобили, аккумуляторные тележки и погрузчики). На них, как правило, используют косвенное контакторное управление посредством командоконтроллера с ножным приводом. В зависимости от выбранного направления движения включают один из двух контакторов реверса, который замыкает соответствующую пару контактов в якорной цепи тягового электродвигателя. Подобные технические решения использованы, например, на электропогрузчиках отечественного и болгарского производства (см. Мачульский С.А. Электропогрузчики. Справочник. - М.: Транспорт, 1992).
Но реализовать при таком выполнении узла реверса требуемую для остановочного рекуперативного торможения транспортного средства диаграмму замыкания коммутационных элементов реверсивного переключателя не представляется возможным.
Целью предлагаемого изобретения является расширение применения реверсивного электропривода с набором функций прототипа на транспортные средства с косвенным контакторным управлением, т.е. реализация режима рекуперативного остановочного торможения при использовании контакторного реверса в якорной цепи тягового электродвигателя.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что между зажимом источника питания, соединенным с шунтирующим диодом, и парой коммутационных элементов узла реверса введен контакт дополнительного контактора, замкнутый в тяговом режиме и разомкнутый в режиме остановочного рекуперативного торможения. При этом второй зажим источника питания может быть соединен с одним или другим выводом источника подпитки.
0
На фиг.1 изображена принципиальная электрическая схема предлагаемого электропривода, на фиг.2 а, б - диаграмма замыканий контактов командоконтроллера и зависимость задающего напряжения U устройства управления ключевым элементом от углового перемещения педали управления.
Якорь 1 двигателя включен в диагональ реверсивного переключателя на коммутационных элементах 2 - 5 (контактах контакторов реверса 6, 7). Между общей точкой коммутационных элементов 5, 3 и зажимом дополнительного низковольтного источника 8 постоянного тока (источника подпитки обмотки возбуждения) включены: обмотка возбуждения 9 двигателя, датчик тока 10 и управляемый ключевой элемент 11, например IGBT транзистор с устройством управления 12. Второй зажим источника подпитки 8 через диоды 13 и 14 соединен с выводами якоря 1. Между управляемым ключевым элементом 11 и зажимом источника питания включен шунтирующий диод 15, а между указанным зажимом источника питания электропривода и общей точкой коммутационных элементов 2, 4 узла реверса введен контакт 16 дополнительного контактора 17. Другой зажим источника питания в первом варианте электропривода подключен к точке соединения источника подпитки 8 с ключевым элементом (точки а), а во втором варианте - к точке соединения источника подпитки 8 и диодов 13, 14 (точка b на фиг.1).
Устройство 12 управления ключевым элементом может быть выполнено, например, на базе одной из микросхем широтно-импульсных модуляторов (ШИМ) с узлом токоограничения, которые получили широкое применение в стабилизированных источниках питания постоянного тока.
В качестве низковольтного источника подпитки 8 целесообразно использовать транзисторный преобразователь постоянного напряжения в постоянное с гальваническим разделением цепей (DC-DC конвертор).
0
3
1
Для управления контакторами 6, 7, 17 предназначены командоконтроллер 18 с ножным приводом и реверсивный переключатель 19. С педалью связан задающий элемент 20, формирующий задающее воздействие Uдля устройства 12 управления ключевым элементом 11, зависимость которого от угла поворота педали α имеет вид, показанный на фиг.2, б. Такую зависимость можно получить, например, используя в качестве задающего элемента круговой потенциометр, движок которого делает полный оборот при перемещении педали на угол α-α.
Структура силовой схемы электропривода и его работоспособность сохраняются при одновременном изменении полярностей источников, электрических вентилей и управляемого ключевого элемента.
Предлагаемый электропривод в первом варианте реализации работает следующим образом.
1
0
0
2
0
И
В исходном положении командоконтроллера 18 оба его контакта c-d и e-f разомкнуты, катушки контакторов 6, 7, 17 обесточены, контакты 2-5, 16 разомкнуты и двигатель выключен. Для пуска двигателя "вперед" реверсивным переключателем 19 подготавливается включение контактора 6. При последующем перемещении педали на угол α замыкается контакт c-d командоконтроллера 18, что приводит к включению контактора 6 и замыканию его контактов 2, 3 в якорной цепи электродвигателя. Дальнейшее перемещение педали вызывает изменение задающего напряжения Uсогласно зависимости U(α), приведенной на фиг.2, б, и к замыканию контакта e-f командоконтроллера при достижении угла поворота α. В результате включается контактор 17 и замыкает контакт 16 в цепи питания электродвигателя. Затем появляется управляющее напряжение U на входе устройства управления 12, линейно возрастающее с увеличением угла α, в результате которого на выходе устройства 12 формируются импульсы, обеспечивающие открывание и закрывание ключевого элемента 11 с регулируемым коэффициентом заполнения γ=t/T,
И
где t - продолжительность замкнутого состояния ключа;
Т - период его коммутации.
При этом изменяется среднее значение напряжения на зажимах электродвигателя
cp
2
3
U=γ·U, благодаря чему обеспечивается плавный разгон электродвигателя и регулирование скорости движения транспортного средства при перемещении педали управления в диапазоне углов поворота α - α. При замкнутом ключе к двигателю приложено полное напряжение U источника питания и ток якоря нарастает. При разомкнутом ключе ток постепенно спадает, замыкаясь под действием ЭДС самоиндукции якорной цепи двигателя через диод 15. По окончании разгона двигателя ключевой элемент 11 переводится в постоянно замкнутое состояние.
Если в процессе регулирования коэффициента заполнения γ или же из-за повышения нагрузки на валу электродвигателя его ток достигает некоторого максимально допустимого значения, по сигналу от датчика тока 10 вступает в действие узел токоограничения устройства управления 12, поддерживая среднее значение тока на установленном предельном уровне.
При замкнутом ключевом элементе 11 дополнительный источник подпитки 8 через замкнутый коммутационный элемент 3 контактора 6 и диод 14 подсоединен к обмотке возбуждения двигателя 9. Если падение напряжения на обмотке возбуждения, вызванное протеканием тока якоря, превышает ЭДС дополнительного источника 8, диод 14 заперт, подпитка обмотки возбуждения отсутствует и двигатель работает на мягкой механической характеристике с последовательным возбуждением.
При снижении нагрузки на валу двигателя, а следовательно, и потребляемого им тока, падение напряжения на обмотке возбуждения 9 уменьшается, диод 14 отпирается и источник 8 осуществляет подпитку обмотки возбуждения двигателя, поддерживая магнитный поток при дальнейшем снижении тока якоря. В результате предложенный электропривод имеет пограничную скорость и при отрицательной нагрузке на валу (например, при движении транспортного средства на самокатном уклоне), когда ЭДС вращения превышает ЭДС источника питания тягового двигателя, последний автоматически переходит в режим рекуперативного торможения.
Ток рекуперации замыкается по цепи: якорь 1 двигателя - замкнутый коммутационный элемент 2 контактора 6 - источник питания - дополнительный источник подпитки 8 - диод 14 - якорь 1. Подпитка обмотки возбуждения осуществляется при этом по цепи: вывод b источника подпитки 8 - диод 14 - замкнутый коммутационный элемент 3 контактора 6 - обмотка возбуждения 9 - ключевой элемент 11 - вывод а источника 8.
С появлением положительной нагрузки на валу двигателя электропривод автоматически возвращается в двигательный режим.
2
0
При возврате педали управления в позицию с угловым положением α задающее напряжение U становится равным нулю, устройство 12 управления ключевым элементом прекращает формирование отпирающих импульсов, ключевой элемент 11 запирается и отключает электродвигатель от источника питания. Отпускание педали приводит к размыканию контакта ef командоконтроллера 18, контактор 17 обесточивается и контактом 16 дополнительно разрывает цепь питания электродвигателя. Последующее замедление транспортного средства может осуществляться штатными средствами торможения.
2
0
Для перевода электропривода в режим рекуперативного торможения с целью снижения скорости или остановки транспортного средства необходимо при возврате педали управления в угловое положение α переключателем 19 отключить катушку контактора 6 и включить катушку контактора 7. В результате коммутационные элементы 2, 3 в якорной цепи электродвигателя разомкнутся, а замкнутся коммутационные элементы 4, 5 - контакты контактора 7. При последующем плавном возврате педали в сторону уменьшения углового положения α разомкнется контакт ef командоконтроллера 18, отключится контактор 17 и разомкнет контакт 16 в цепи питания электродвигателя. На выходе задающего элемента 20 появится напряжение U, и устройство управления 12 начнет вырабатывать импульсы на открывание и закрывание ключевого элемента 11.
При замыкании ключевого элемента 11 двигатель закорачивается и происходит его самовозбуждение с замыканием тока по цепи: якорь 1, коммутационный элемент 5, обмотка возбуждения 9, датчик тока 10, ключевой элемент 11, источник подпитки 8, диод 14, якорь 1. Быстрое и эффективное возбуждение двигателя на любой скорости вращения обеспечивается при этом благодаря тому, что источник 8 подключен к обмотке возбуждения 9 двигателя через диод 13.
При последующем размыкании тиристорного ключа ток двигателя, уменьшаясь во времени, продолжает протекать по цепи: якорь 1, коммутационный элемент 5, обмотка возбуждения 9, датчик тока 10, диод 15, источник питания двигателя, источник подпитки 8, диод 14, якорь 1.
0
Перемещением педали, изменяя величину задающего напряжения U, можно регулировать коэффициент заполнения γ, а следовательно, и интенсивность тормозного режима.
При достижении током установленного максимального значения по сигналу датчика тока 10 вступает в действие узел токоограничения устройства 12 управления ключевым элементом, поддерживая среднее значение тормозного тока на установленном предельном уровне.
2
Для прекращения торможения и перехода на выбег достаточно педаль управления возвратить в исходное нулевое положение, а для возврата в тяговый режим перевести переключатель 19 в позицию включения контактора 6 и нажатием на педаль управления перевести ее в угловое положение α>α, соответствующее режиму регулирования коэффициента заполнения γ.
1
Для пуска двигателя "назад" реверсивным переключателем 19 подготавливается включение контактора 7. При последующем перемещении педали на угол α замыкается контакт c-d командоконтроллера 18, что приводит к включению контактора 7 и замыканию его контактов 4, 5 в якорной цепи электродвигателя. Последующие пуск и регулирование скорости осуществляются так же, как и при вращении "вперед". Подпитка обмотки возбуждения 9 от источника 8 при замкнутом ключевом элементе 11 осуществляется через диод 13 и замкнутый коммутационный элемент 5 контактора 7. Ток рекуперации при отрицательной нагрузке на валу двигателя замыкается по цепи: якорь 1, коммутационный элемент 4 контактора 7, источник питания двигателя, источник подпитки 8, диод 13, якорь 1.
2
0
Для перевода электропривода в режим рекуперативного торможения с целью снижения скорости или остановки транспортного средства необходимо при возврате педали управления в угловое положение α переключателем 19 отключить катушку контактора 7 и включить катушку контактора 6. В результате коммутационные элементы 4, 5 в якорной цепи электродвигателя разомкнутся, а замкнутся коммутационные элементы 2, 3 - контакты контактора 6. При последующем плавном возврате педали в сторону уменьшения углового положения α разомкнется контакт ef командоконтроллера 18, отключится контактор 17 и разомкнет контакт 16 в цепи питания электродвигателя. На выходе задающего элемента 20 появится напряжение U, и устройство управления 12 начнет вырабатывать импульсы на открывание и закрывание ключевого элемента 11.
При замыкании ключевого элемента 11 самовозбуждение двигателя происходит по цепи: якорь 1, коммутационный элемент 3, обмотка возбуждения 9, датчик тока 10, ключевой элемент 11, источник подпитки 8, диод 13, якорь 1. Быстрое и эффективное возбуждение двигателя на любой скорости вращения обеспечивается благодаря тому, что источник 8 подключен к обмотке возбуждения 9 двигателя через диод 14. При последующем размыкании тиристорного ключа ток двигателя, уменьшаясь во времени, продолжает протекать по цепи: якорь 1, коммутационный элемент 3, обмотка возбуждения 9, датчик тока 10, диод 15, источник питания двигателя, источник подпитки 8, диод 13, якорь 1.
Электропривод по второму варианту работает аналогично описанному выше для первого варианта и выполняет те же функции. Отличия касаются режимов работы источника подпитки и вида механической характеристики привода в режиме рекуперации при движении транспортного средства на самокатном уклоне.
В первом варианте привода в двигательном режиме от низковольтного источника потребляется только ток подпитки обмотки возбуждения, тогда как в режиме рекуперативного торможения по нему протекает суммарный ток подпитки и рекуперации. При этом из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника подпитки происходит противокомпаундирование двигателя - с ростом тока якоря в тормозном режиме снижается ток возбуждения и растет частота вращения. При сопоставимых величинах сопротивлений обмотки возбуждения и источника подпитки механическая характеристика электропривода становится чрезмерно мягкой, что ограничивает область допустимых тормозных режимов.
Во втором варианте привода, наоборот, в двигательном режиме источник подпитки дополнительно нагружается током якорной цепи, тогда как в тормозном режиме от него потребляется только ток возбуждения. Противокомпаундирование двигателя в этом случае отсутствует, и электропривод в режиме рекуперации при движении транспортного средства на самокатном уклоне имеет жесткую механическую характеристику, обеспечивающую автоматическое ограничение скорости в широком диапазоне тормозных токов. Вместе с тем поскольку большую часть времени привод работает в двигательном режиме, второй вариант его реализации потребует, как правило, применения источника подпитки большей мощности. Поэтому при выборе того или иного варианта привода необходим учет особенностей режима его работы.