ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА
DIRECT CURRENT DRIVE

Назначение
Изобретение предназначено для использования в системах широкого класса изделий в качестве электропривода постоянного тока при автономном источнике электроэнергии ограниченной мощности, например в служебных системах космических аппаратов.
Уровень техники
Известны конструкции электроприводов, описанные в технической литературе, где приведены классические технические решения конструкций электроприводов по системе источник тока - двигатель, в которых регулируемой величиной является электромагнитная мощность [Ильинский Н.Ф. Электроприводы постоянного тока с управляемым моментом. - М: Энергоиздат, 1981, с. 34-38; с. 88-107; с. 114-124].
Примеры технического решения проблем обеспечения качественной работы электропривода сводятся к использованию относительно мощных источников питания: двигатель-генераторов, тиристорных и транзисторных преобразователей и модификаций схем. Во всех случаях предполагается наличие существенного запаса мощности источника питания.
Известны особенности работы систем электропривода в автономных устройствах [Крайцберг М.И. Электропривод при автономном источнике энергии. - М.-Л.: Энергия, 1966, с. 49-52; с. 87-90]. Мощность приводного электродвигателя сопоставима с мощностью системы электроснабжения. В этом случае режим работы приводного двигателя оказывает существенное влияние на систему электроснабжения. При набросе нагрузки на двигатель переходный режим включения может вызвать колебательный режим в сети. Для борьбы с этим явлением необходимо (предлагается) применять в схеме вспомогательный генератор увеличенного возбуждения и схему согласования напряжения питания двигателя и напряжения системы электроснабжения. Наброс нагрузки растягивается на доли секунды в пределах одной секунды, нарастание момента сопротивления соизмеримо с длительностью электромагнитных процессов в регуляторах и цепях возбуждения. Следовательно, по мнению автора, в автономной системе электропривода в конструкции электродвигателя целесообразно применять независимое возбуждение двигателя вместо последовательного.
Недостатком этого технического решения является относительная сложность технической реализации схемы и необходимость использования более сложной конструкции электрического двигателя, его обмоток возбуждения и нахождения дополнительных мощностей для питания и коммутации катушек возбуждения.
Из числа известных аналогов полезной модели ближайшим прототипом может служить электропривод постоянного тока по патенту РФ №2025885. В этом техническом решении в электропривод, содержащий m электродвигателей, n источников электроэнергии и блок преобразователей, введены i блоков накопителей электроэнергии, соединенных с дополнительными входами блока преобразователей энергии, и накопители электроэнергии, один из которых выполнен в виде емкостного накопителя, а другой - в виде аккумуляторной батареи. Блок преобразователей содержит входные, выходные и промежуточные преобразователи.
Недостатком является необходимость существенного запаса мощности источника электроснабжения для его надежной работы и долгого срока службы, так как пиковые нагрузки на него во время пуска двигателя отрицательно сказываются на параметрах этого источника. Запас мощности источника электроснабжения приводит к утяжелению оборудования и снижению КПД (применяются разнотипные накопители электроэнергии: электрохимические аккумуляторные батареи и емкостные накопители, имеющие разные вольт-амперные характеристики, что невыгодно из-за того, что аккумуляторы имеют более низкий ресурс, более высокую скорость деградации и на порядок меньший показатель допустимого числа циклов зарядка/разрядка, то есть аккумуляторы выйдут из строя раньше, чем емкостные накопители, а вместе с аккумуляторами выйдет из строя и прекратит работу электропривод, сократится срок службы). Тем более это не может быть реализовано в системах ограниченной мощности.
Цель изобретения: не увеличивая мощности автономного источника электроэнергии, обеспечить устойчивый запуск электродвигателя, требующего больших пусковых токов. Это повысит надежность и срок службы автономного источника электроэнергии.
Раскрытие изобретения
Предлагаемый электропривод постоянного тока при автономном источнике электроэнергии ограниченной мощности содержит соединитель электродвигателя, емкостной накопитель электроэнергии, коммутационные ключи, сетевой разъем (для соединения с сетью электроснабжения), управляющее коммутационное устройство (например, процессор), индикатор оборотов электродвигателя, сопряженный с осью вращения электродвигателя. Кроме того, электропривод постоянного тока содержит балластный резистор и диод развязки, включенные последовательно в цепь зарядки емкостного накопителя электроэнергии от сети электроснабжения. Первый коммутационный ключ, осуществляющий включение пускового тока электродвигателя от емкостного накопителя электроэнергии и последующее переключение емкостного накопителя на зарядку, параллельно подсоединен одной парой своих выводов к выводам емкостного накопителя электроэнергии, а другой парой - к выводам соединителя электродвигателя, предназначенного для соединения с электродвигателем. Одновременно эта пара выводов подсоединена к паре выводов второго коммутационного ключа, который служит для подключения электродвигателя к сети электроснабжения по сигналу управляющего устройства. Информационный вывод индикатора оборотов электродвигателя соединен с управляющим устройством, к которому независимо подключены также оба коммутирующих ключа.
Совокупность введенных признаков обеспечивает запуск электродвигателя не от маломощного бортового источника электроснабжения, а от заранее заряженного емкостного накопителя электроэнергии (например, блока ионисторов), который обеспечивает требуемый пусковой ток (а он может превышать номинальный ток в несколько раз). Когда двигатель раскрутится, индикатор оборотов посылает сигнал на управляющее коммутационное устройство, которое синхронно отключает первым ключом электродвигатель от емкостного накопителя электроэнергии, а вторым ключом подключает двигатель к цепи электроснабжения. При этом первый ключ подключает емкостной накопитель электроэнергии на подзарядку к сети электроснабжения через балластный резистор и разделительный диод, которые обеспечивают подзарядку емкостного накопителя электроэнергии небольшим током. Это позволяет использовать на борту автономный источник электропитания небольшой мощности, а значит, и небольших габаритов, что весьма важно для космических аппаратов. К тому же равномерная работа источника питания без пиковых нагрузок положительно влияет на его надежность и срок службы, а также на помехозащищенность всей сети электроснабжения.
На фиг. 1. приведена электрическая схема электропривода постоянного тока при автономном источнике электроэнергии ограниченной мощности.
Осуществление изобретения
Электропривод постоянного тока содержит соединитель электродвигателя 1, емкостной накопитель 2 (электроэнергии), два коммутационных ключа 3 и 4, сетевой разъем 5, управляющее коммутационное устройство 6, индикатор оборотов 7 (электродвигателя), балластный резистор 8 и диод развязки 9, включенные последовательно в цепь зарядки емкостного накопителя 2.
Информационный выход индикатора оборотов 7 соединен с входом управляющего коммутационного устройства 6. Первый коммутационный ключ 3, осуществляющий включение пускового тока электродвигателя от емкостного накопителя электроэнергии 2 и последующее переключение емкостного накопителя 2 на зарядку, соединен одной парой выводов с емкостным накопителем 2, другой парой - с соединителем электродвигателя 1 и парой выводов второго коммутационного ключа 4. Другая пара выводов второго коммутационного ключа 4, подключающего электродвигатель к сети электроснабжения, соединена с сетевым разъемом 5.
В качестве управляющего коммутационного устройства 6 может использоваться микропроцессор, в качестве индикатора оборотов 7 может быть использован, например, датчик Холла. В качестве емкостного накопителя энергии 2 предпочтительно применение ионисторов в виде блоков ионисторов, в связи с их высокой стойкостью к климатическим воздействиям и длительным срокам службы. Ионисторы обладают свойством саморегулирования тока зарядки. По мере накопления заряда зарядный ток плавно снижается и при достижении номинального напряжения сети электроснабжения снижается до десятков микроампер, что соответствует величине тока саморазряда ионисторов. Процесс зарядки ионисторов не сопровождается разогревом, кипением электролита или выделением газообразных веществ.
Коммутационные ключи 3 и 4 должны быть выполнены программно-управляемыми, они могут быть электромеханическими, твердотельными или других типов.
Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии электродвигатель подключен к соединителю 1, сетевой разъем 5 соединен с бортовой сетью электроснабжения, коммутационные ключи 3 и 4 разомкнуты, емкостной накопитель электроэнергии 2 заряжен. Пуск электропривода осуществляется в режиме форсирования мощности без подключения электродвигателя к сети электроснабжения следующим образом:
по сигналу с управляющего коммутационного устройства 6 замыкается первый коммутационный ключ 3, и через него емкостной накопитель электроэнергии 2 разряжается на обмотку электродвигателя. Вследствие этого ротор электродвигателя приходит во вращение. Сопряженный с ним индикатор оборотов 7 выдает сигнал на управляющее коммутационное устройство 6, которое формирует управляющий сигнал на размыкание первого коммутационного ключа 3 и на замыкание второго коммутационного ключа 4, через который электродвигатель подключается к бортовой сети электроснабжения. Запущенный от емкостного накопителя электродвигатель продолжает работать в штатном режиме, но уже от бортовой сети электроснабжения. Так как запуск электродвигателя происходит от емкостного накопителя электроэнергии 2, отделенного от сети электроснабжения, скачки напряжения и тока, вызванные пуском электродвигателя, в сеть электроснабжения не попадают, а емкостной накопитель электроэнергии 2 заряжается плавно, без перегрузки сети электроснабжения, через балластный резистор 8 и диод развязки 9.
Технический результат предложенного изобретения выражается в равномерной работе автономного источника электроэнергии, обеспечивающего сетевое электроснабжение, без пиковых нагрузок во время пуска электродвигателя постоянного тока, что повышает надежность и увеличивает срок службы автономного источника электроэнергии ограниченной мощности, а также усиливает помехозащищенность всей сети электроснабжения.