УСТРОЙСТВО ДВУХЗОННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в тиристорных электроприводах постоянного тока с двухзонным регулированием скорости, работающих с ударным изменением нагрузки, преимущественно, в электроприводах широкополосных станов горячей прокатки.
Известен двухзонный вентильный электропривод, содержащий электродвигатель постоянного тока с независимой обмоткой возбуждения, регуляторы ЭДС и тока возбуждения, систему фазового управления и тиристорный возбудитель, нагруженный на обмотку возбуждения двигателя, регуляторы скорости и тока якоря, вторую систему фазового управления, тиристорный преобразователь, нагруженный на якорь двигателя, цепи обратной связи по ЭДС, току якоря и току возбуждения двигателя, тахогенератор, дополнительные цепи, включенные между тахогенератором и регулятором ЭДС (см. а.с. СССР №886178, Н02Р 5/06).
Недостатком известного устройства является его низкая надежность из-за того, что при снижении напряжения сети уставка начала ослабления магнитного потока двигателя остается неизменной. Чтобы обеспечить, поддержание заданной скорости двигателя система автоматического регулирования скорости уменьшает угол регулирования тиристорного преобразователя, при этом при переходе в инверторный режим возможен аварийный режим - «опрокидывание инвертора».
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является устройство для двухзонного регулирования скорости вращения двигателя постоянного тока с зависимой системой управления полем двигателя, содержащее, последовательно соединенные блок задания скорости, систему автоматического регулирования скорости, систему импульсно-фазового управления и тиристорный преобразователь, причем вход последнего соединен с вторичной обмоткой трансформатора, а выход тиристорного преобразователя через датчик тока якорной цепи двигателя подключен к якорной обмотке двигателя, при этом выход датчика тока якорной цепи двигателя соединен со вторым входом системы автоматического регулирования скорости, датчик скорости двигателя, выход которого соединен с третьим входом системы автоматического регулирования скорости, блок вычисления значения ЭДС двигателя, первый вход которого соединен с выходом датчика выпрямленного напряжения, который подключен к выходу тиристорного преобразователя, второй вход блока вычисления значения ЭДС двигателя соединен с выходом датчика тока якорной цепи двигателя, а выход - с входом первого элемента сравнения, регулятор ЭДС двигателя, вход которого соединен с выходом первого элемента сравнения, а выход - с входом тиристорного возбудителя, выход которого подключен к обмотке возбуждения двигателя, датчик вторичного напряжения трансформатора вход которого подключен к вторичной обмотке трансформатора (см. а.с. СССР №799092, Н02Р 5/06).
Недостатком известного устройства является его низкая надежность из-за того, что при колебаниях (скачках) напряжения сети с малой амплитудой, которые реально существуют в электрических сетях, происходит постоянное изменение уставки ЭДС двигателя, изменение тока возбуждения и магнитного потока, это вызывает дополнительные электрические и магнитные потери в цепи возбуждения. При колебаниях напряжения сети с большой амплитудой происходит недопустимое снижение тока возбуждения, что является аварийным режимом и приводит к срабатыванию защиты, кроме того, возникает угроза безопасности инвертирования.
Задача, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в снижении потерь в цепи возбуждения, обеспечении достаточного запаса выпрямленного напряжения тиристорного преобразователя, ограничении снижения тока возбуждения, осуществлении безопасного инвертирования.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве двухзонного регулирования скорости двигателя постоянного тока, содержащем последовательно соединенные блок задания скорости, систему автоматического регулирования скорости, систему импульсно-фазового управления и тиристорный преобразователь, причем вход последнего соединен с вторичной обмоткой трансформатора, а выход тиристорного преобразователя через датчик тока якорной цепи двигателя подключен к якорной обмотке двигателя, при этом выход датчика тока якорной цепи двигателя соединен со вторым входом системы автоматического регулирования скорости, датчик скорости двигателя, выход которого соединен с третьим входом системы автоматического регулирования скорости, блок вычисления значения ЭДС двигателя, первый вход которого соединен с выходом датчика выпрямленного напряжения, который подключен к выходу тиристорного преобразователя, второй вход блока вычисления значения ЭДС двигателя соединен с выходом датчика тока якорной цепи двигателя, а выход - с входом первого элемента сравнения, регулятор ЭДС двигателя, вход которого соединен с выходом первого элемента сравнения, а выход - с входом тиристорного возбудителя, выход которого подключен к обмотке возбуждения двигателя, датчик вторичного напряжения трансформатора вход которого подключен к вторичной обмотке трансформатора, согласно изменению, оно снабжено вторым и третьим элементами сравнения, первым и вторым нелинейными элементами, блоком задания номинального значения ЭДС двигателя, блоком задания номинального значения напряжения сети, блоком максимального отклонения напряжения сети, причем первый вход второго элемента сравнения соединен с выходом датчика вторичного напряжения трансформатора, второй вход - соединен с выходом блока задания номинального значения напряжения сети, а выход второго элемента сравнения подключен к входу первого нелинейного элемента, при этом первый вход третьего элемента сравнения подключен к выходу блока максимального отклонения напряжения сети, второй вход - соединен с выходом второго элемента сравнения, а выход третьего элемента сравнения подключен ко второму нелинейному элементу, выход которого соединен со вторым входом системы импульсно-фазового управления, при этом второй вход первого элемента сравнения соединен с выходом первого нелинейного элемента, а третий вход подключен к выходу блока задания номинального значения ЭДС двигателя.
Технический результат заключается в повышении надежности работы тиристорного электропривода постоянного тока с двухзонным регулированием скорости.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема устройства двухзонного регулирования скорости двигателя постоянного тока.
Заявляемое устройство содержит тиристорный преобразователь 1, трансформатор 2, двигатель постоянного тока с якорной обмоткой 3 и обмоткой возбуждения 4, датчик скорости двигателя 5, блок задания скорости 6, систему автоматического регулирования скорости 7 и систему импульсно-фазового управления 8. Устройство также содержит тиристорный возбудитель 9, регулятор ЭДС двигателя 10, первый элемент сравнения 11, блок вычисления значения ЭДС двигателя 12, датчик выпрямленного напряжения 13, датчик тока якорной цепи двигателя 14 и датчик вторичного напряжения трансформатора 15. Вход тиристорного преобразователя 1 присоединен к вторичной обмотке трансформатора 2, а выход через датчик тока 14 подключен к якорной обмотке двигателя 3. Первый вход системы автоматического регулирования скорости 7 соединен с блоком задания скорости двигателя 6, выход датчика тока 14 соединен со вторым входом системы автоматического регулирования скорости 7, третий вход системы автоматического регулирования скорости 7 соединен с выходом датчика скорости 5, который установлен на валу двигателя 3. Выход системы автоматического регулирования скорости 7 соединен с первым входом системы импульсно-фазового управления 8, выход которой соединен с управляющим входом тиристорного преобразователя 1. Обмотка возбуждения двигателя 4 присоединена к выходу тиристорного возбудителя 9, управляющий вход которого соединен с выходом регулятора ЭДС двигателя 10. Вход регулятора ЭДС двигателя 10 соединен с выходом первого элемента сравнения 11, первый вход которого соединен с выходом блока вычисления значения ЭДС двигателя 12. Первый вход блока вычисления значения ЭДС двигателя 12 соединен с выходом датчика выпрямленного напряжения 13, который подключен к выходу тиристорного преобразователя 1, а второй вход - с выходом датчика тока якорной цепи двигателя 14. Вход датчика вторичного напряжения трансформатора 15 подключен к вторичной обмотке трансформатора 2. Устройство снабжено вторым 16 и третьим 17 элементами сравнения, первым 18 и вторым 19 нелинейными элементами, блоком задания номинального значения ЭДС двигателя 20, блоком задания номинального значения напряжения сети 21, блоком максимального отклонения напряжения сети 22. Выход блока задания номинального значения ЭДС двигателя 20 соединен с третьим входом первого элемента сравнения 11, второй вход которого соединен с выходом первого нелинейного элемента 18. Вход первого нелинейного элемента 18 соединен с выходом второго элемента сравнения 16, первый вход которого соединен с выходом датчика вторичного напряжения трансформатора 15, а второй вход - с блоком задания номинального значения напряжения сети 21. Первый вход третьего элемента сравнения 17 соединен с блоком максимального отклонения напряжения сети 22, а второй вход соединен с выходом второго элемента сравнения 16. Выход третьего элемента сравнения 17 соединен с входом второго нелинейного элемента 19, выход которого соединен со вторым входом системы импульсно-фазового управления 8.
Отличительной особенностью заявляемого технического решения является то, что при работе устройства двухзонного регулирования скорости двигателя постоянного тока во второй зоне регулирования выделено три диапазона уставки ЭДС двигателя в функции напряжения сети. В первом и втором диапазонах уставки ЭДС двигателя угол регулирования тиристорного преобразователя практически соответствует минимальному значению, что позволяет получить минимальное потребление реактивной мощности. При этом обеспечивается достаточный запас выпрямленного напряжения тиристорного преобразователя, чтобы осуществить безопасное инвертирование. В третьем диапазоне угол регулирования тиристорного преобразователя ограничивается минимальным углом, чтобы не произошло «опрокидывание инвертора», снижение тока возбуждения ограничено, чтобы не сработала аварийная защита.
зад
зад
дв
дв
дв
ном
дв
ном
дв
ном
дв
ном
дв
ном
зад
ном
дв
ном
дв
ном
дв
зад
ном
дв
ном
кор
С
С
Cном
Устройство двухзонного регулирования скорости двигателя постоянного тока работает следующим образом. Блок задания скорости 6 задает скорость вращения ω двигателя постоянного тока 3. В процессе увеличения сигнала задания скорости ω система автоматического регулирования скорости 7 через систему импульсно-фазового управления 8 увеличивает значение выпрямленного напряжения тиристорного преобразователя 1, что приводит к возрастанию ЭДС двигателя Е. При этом на второй и третий входы системы автоматического регулирования скорости 7 подаются сигналы обратной связи с датчика тока якорной цепи двигателя 14 и датчика скорости двигателя 5. Значение ЭДС двигателя Е вычисляется в блоке вычисления значения ЭДС двигателя 12 по сигналам с датчика выпрямленного напряжения 13 и датчика тока якорной цепи двигателя 14. Вычисленное значение ЭДС двигателя Е подается на первый вход первого элемента сравнения 11, а на третий вход с блока задания номинального значения ЭДС двигателя 20 подается сигнал, пропорциональный номинальной ЭДС двигателя Е. До тех пор, пока скорость двигателя ω ниже номинальной (основной) ω ЭДС двигателя меньше номинальной Е<Е. С выхода первого элемента сравнения 11 на вход регулятора ЭДС двигателя 10 подается сигнал ошибки ΔЕ>0, при этом регулятор ЭДС двигателя 10 насыщен, а тиристорный возбудитель 9, воздействуя на обмотку возбуждения 4 двигателя, создает номинальный магнитный поток. Когда скорость двигателя 3 достигает номинальной величины ω=ω, значения ЭДС двигателя на выходе блока вычисления значения ЭДС двигателя 12 равно номинальной величине Е=Е. При дальнейшем увеличении сигнала задания скорости двигателя ω>ω система автоматического регулирования скорости 7 стремится к дальнейшему повышению скорости двигателя 3, увеличивая значение выпрямленного напряжения тиристорного преобразователя 1, что вызывает увеличение ЭДС двигателя Е>Е. При этом на выходе первого элемента сравнения 11 сигнал ошибки ΔЕ<0, регулятор ЭДС двигателя 10 выходит из насыщения, это вызывает уменьшение сигнала на его выходе, а, следовательно, уменьшение тока возбуждения в обмотке 4 двигателя и уменьшение магнитного потока и ЭДС двигателя. В случае применения пропорционально-интегрального регулятора ЭДС двигателя, уменьшение сигнала на его выходе происходит до тех пор, пока сигнал ошибки ΔЕ на входе регулятора ЭДС двигателя 10 не будет равен нулю. Ослабление магнитного потока происходит до тех пор, пока ЭДС двигателя не будет равна номинальному значению Е=Е. При этом новому сигналу на выходе регулятора ЭДС двигателя 10 соответствует новое (ослабленное) значение магнитного потока двигателя. Таким образом, изменение выходного сигнала регулятора ЭДС двигателя 10, при выходе его из насыщения, происходит за счет того, что система автоматического регулирования скорости 7, обеспечивая соответствие скорости двигателя ω задающему сигналу ω, стремится изменить ЭДС двигателя при постоянстве задания номинального значения ЭДС двигателя Е. При этом регулятор ЭДС двигателя 10, стремясь поддержать ЭДС двигателя неизменной Е=Е, уменьшает магнитный поток двигателя. На второй вход элемента сравнения 11 подается сигнал коррекции ΔЕ, который учитывает изменение напряжения сети U. Значение напряжения сети U с выхода датчика вторичного напряжения трансформатора 15 подается на первый вход второго элемента сравнения 16, а на второй вход с блока задания номинального значения напряжения сети 21 подается сигнал, пропорциональный номинальному напряжению сети U.
С
Cмин
Cмин
кор
Смин
С
Cмакс
C
Cмин
Смакс
кор
C
кор
кор макс
C
Смакс
C
Смакс
кор
кор макс
C
Cмакс
C
Cмакс
Рассмотрим три диапазона просадки напряжения сети. Первый диапазон ΔU<ΔU - просадка напряжения меньше минимального уровня ΔU, при этом сигнал коррекции ΔE на выходе нелинейного элемента 18 равен нулю. Устройство двухзонного регулирования скорости двигателя работает без коррекции уставки ЭДС двигателя от напряжения сети. Второй диапазон ΔU<ΔU<ΔU - просадка напряжения сети ΔU достигла минимального уровня ΔU, но не превышает максимальный уровень ΔU, сигнал коррекции ΔE на выходе нелинейного элемента 18, пропорционален просадке напряжения сети ΔU. Устройство двухзонного регулирования скорости двигателя работает с коррекцией уставки ЭДС двигателя от напряжения сети 0<ΔЕ<ΔE, при этом ЭДС двигателя снижается. Начало ослабления магнитного потока в обмотке возбуждения 4 находится в точном соответствии с действительным значением напряжения вторичной обмотки трансформатора 2. Третий диапазон ΔU>ΔU - просадка напряжения сети ΔU достигла максимального уровня ΔU либо превышает его, сигнал коррекции ΔE на выходе нелинейного элемента 18 не меняется и равен ΔE. Ослабление магнитного потока в обмотке возбуждения 4 достигает максимального значения и остается неизменным. Одновременно для третьего диапазона просадки напряжения сети, с выхода третьего элемента сравнения 17 на вход второго нелинейного элемента 19, имеющего релейную характеристику, поступает сигнал ошибки (ΔU-ΔU)>0. Сигналы ΔU и ΔU на входы третьего элемента сравнения 17 поступают с выхода второго элемента сравнения 16 и выхода блока максимального отклонения напряжения сети 22, соответственно. При этом на второй вход системы импульсно-фазового управления 8 с выхода второго нелинейного элемента 19 поступает сигнал «запрет инвертирования».
ном
хх
C
мин
кор
Cмин
C
Смакс
кор
кор макс
хх
C
Cмакс
ном
кор макс
мин
Рассмотрим работу устройства при изменении нагрузки двигателя. В режиме холостого хода уставка на начало ослабления магнитного потока определяется номинальным значением ЭДС двигателя Е и является максимальной. Этой уставке соответствует определенный минимальный угол регулирования α тиристорного преобразователя 1, который позволяет получить достаточный запас выпрямленного напряжения тиристорного преобразователя, чтобы осуществить безопасное инвертирование и обеспечить минимальное потребление реактивной мощности. При приложении нагрузки к электроприводу напряжение на вторичной обмотке трансформатора 2 снижается. Если снижение напряжения сети соответствует первому диапазону просадки ΔU<ΔUC то коррекция уставки ЭДС двигателя не производится ΔЕ=0. Система автоматического регулирования скорости 7 отрабатывает эту просадку напряжения, изменяя угол регулирования а тиристорного преобразователя 1 в малых пределах. При этом сохраняется условие безопасного инвертирования и обеспечивается минимальное потребление реактивной мощности. Если снижение напряжения сети соответствует второму диапазону просадки ΔU<ΔU<ΔU, то коррекция уставки ЭДС двигателя производится в диапазоне 0<ΔЕ<ΔЕ, угол регулирования α тиристорного преобразователя 1, как в известном устройстве, остается практически неизменным α=α. При этом также сохраняется условие безопасного инвертирования, и обеспечивается минимальное потребление реактивной мощности. Если снижение напряжения сети соответствует третьему диапазону просадки ΔU>ΔU, то у ставка ЭДС двигателя минимальная (E-ΔE) и сохраняется неизменной во всем диапазоне. При этом снижение тока возбуждения не производится, чтобы не сработала аварийная защита, а для сохранения условия безопасного инвертирования в систему импульсно-фазового управления 8 подается команда «запрет инвертирования», угол регулирования тиристорного преобразователя 1 ограничивается минимальным углом α=α, чтобы не произошло «опрокидывание инвертора».
Устройство двухзонного регулирования скорости двигателя постоянного тока с автоматической коррекцией уставки ЭДС двигателя в функции напряжения сети работает аналогично при случайных отклонениях напряжения сети, вызванных действием других потребителей.
Таким образом, в заявляемом устройстве, благодаря выделению трех диапазонов коррекции уставки ЭДС двигателя и введению защиты от «опрокидывания инвертора», повышается надежность работы электропривода. Автоматический выбор диапазона коррекции уставки ЭДС двигателя при изменении напряжения вторичной обмотки трансформатора обеспечивает поддержание минимального угла регулирования тиристорного преобразователя, что уменьшает потребление реактивной мощности, обеспечивает условие безопасного инвертирования и осуществляет защиту инвертора от «опрокидывания».