Устройство для моделирования вентильного электродвигателя

 

СВОЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А1 511 G 06 g 7/62 г.;

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21 ) 3973388/24-24 (22) 10.11.85 (46) 23.09.88, Бюл. № 35 (71) Московский энергетический институт (72) А.А. Иванов, В.К. Лозенко, Е.Н. Малышев и О,Н. Хоцянова (53) 681.333(088.8) (56) Дунаевский С. Я. и др. Моделирование элементов электромеханических систем. — M. Энергия, 1971, с. 171.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1035618, 1980. (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЕНТИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ, содержащее двухполярный источник напряжения, два мультиплексора, блоки моделирования электромагнитных процессов первого и второго контуров, каждый из которых включает последовательно соединенные суммирующий усилитель и интегратор, два блока формирования электромагнитного момента, два блока формирования ЭДС вращения, два блока формирования распределения магнитной индукции, интегросумматор, блок задания момента нагрузки и блок формирования угла поворота ротора, выход первого блока формирования распределения магнитной индукции соединен с первыми входами первого блока формирования электромагнитного момента и пеРвого блока фоРмиРованиЯ ЭДС вращения, выход второго блока форм. рования распределения магнитной индукции подключен к первым входам второго блока формирования электромагнитного момента и второго блока формирования ЭДС вращения, выходы первого и второго блоков формирования

ЭДС вращения подключены к первым входам суммирующих усилителей первого и второго блоков моделирования электромагнитных процессов первого и второго контуров соответственно, вторые входы которых соединены с выходами дервого и второго мультиплексоров соответственно, первые и вторые входы которых соответственно объединены и подключены к соответствующим выходами двухполярного источника напряжения, в блоках моделирования электромагнитных процессов первого и второго контуров выход интегратора соединен с третьим входом суммирующего усилителя и с вторым входом соответствующего блока формирования эле ктромагнитного, момента, выходы первого и второго блоков формирования электромагнитного момента подключены к первому и второму входам интегросум" матора, третий вход которого подключе;"". к выходу блока задания момента нагрузки, выход интегросумматора подключен к вторым входам первого и второго блоков формирования ЭДС вращения и входу блока формирования угла поворота ротора, о т л и ч аю m, е е с я тем, что, с целью повышения точности за счет учета коммутационных процессов, в него введены блок формирования начальных значений токов на границе тактов коммутации, блок выделения модуля, ключевые элементы и элементы с односторонней проводи остью, причем блок формирования начальных значений токов на границе тактов коммутации вклю ча.ет два апериодических звена, инвертор, блок нелинейности типа "ограни- чение" реле, два развязывающих диода, элемент ИЛИ-НЕ, первый и второй! ч25732 суМмирующего усилителя первого блока моделирования электромагнитных процессов, соединенного через последовательно соединенные второй ключевой элемент и второй элемент с односторонней проводимостью с выходом интегратора первого блока моделирования электромагнитных процессов, выход второго интегратора второго блока моделирования электромагнитных процессов через последовательно соединенные третий элемент с одностороннеи проводимостью и третий ключевой . элемент соединен с пятым входом суммчрующего усилителя, соединенного через последовательно соединенныа четвертый ключевой элемент и четвертый элемент с односторонней проводи— мостью с выходом интегратора второго блока моделирования электромагнитных процессов,подключенного к первому входу первого апериодического, звена блока формирования начальных значений токов на границе тактов коммутации и к пятому входу суммирующего усилителя первого блока моделирования электромагнитных процессов, шестой вход которого соединен с выходом суммирующего усилителя второго блока моделирования электромагнитных процессов, выход суммирующего усилителя первого блока моделирования электромагнитных процессов подключен к г шестому входу суммирующего усилителя второго блока моделирования электромагнитных процессов.

Изобретение относится к аналоговой выччслительной технике и предназ— начено для моделирования электромагнитных и электромеханических процессов в вентильном электродвига.теле «ВД) с 5 обмоткой якоря «ОЯ), секции которого соединены в звезду «лучевая обмотка).

Цель изобретения - повышение точности за счет учета коммутационньгх процессов.

На фиг. l представлена структурная схема устройства для моделирования

ВД на фиг . ? — функциональная схема входы которого через замыкающие контакты первого и второго реле соединены с шиной логической единицы, вьгход элемента ИЛИ-НЕ подключен к обмотке третьего реле, выход блока,нелинейности типа "ограничение" через первый развязывающий диод подключен к обмотке первого реле, обмотка второго реле через второй развязывающий диод соединена с выходом блока нелинейности типа "ограничение", выход которого подключен к выходу блока формирования угла поворота ротора, выход первого апериодического звена соединен ! с входом инвертора, выхоц которого через первый замыкающий контакт третьего реле подключен к входу установки начальных условий интегратора первого блока моделирования электромагнит-! ных процессов„ вход второго апериодического звена. через второй замыкаю-! щий контакт третьего реле соединен ! с входом установки начальных условий интегратора второго блока моделирования,электромагнитных процессов и с первым входом первого апериодического звена, второй вход которого ! и вход второго апериодического вена ! подключены к выходу интегратора пер: вого блока моделирования электромагнитных процессов,к четвертому входу суммирующего усилителя второго блока

, моделирования электромагнитных процессов и через последовательно соединенные первый элемент с односторон, ней проводимостьюю и первьгй ключевой ! элемент подключен к четвертому входу устройства; на фиг. 3 — диаграммы напряжений в узлах функциональной схе— мы, на фиг. 4 — диаграммы напряжений на выходе блоков моделирования электромагнитных процессов первого и второго контуров при работе ВД в двигательном режиме: «а) при с. С, б) при Q ) 4м, где к — коммутационный интервал, мк — межкоммутационный интервал).

Устройство для моделирования ВД содержит двухполярный источник 1 напряжения, два мультиплексора 2 и 3, 3 14257 блоки 4 и 5 моделирования электромагнитных процессов первого и второго контуров, выполненные в виде последовательно соединенных суммирующего уси- лителя 6(7) и интегратора 8(9) каж5 ный, два блока 10 и 11 формирования электромагнитного моментае два блока

12 и 13 формирования ЭДС вращения, два блока 14 и 15 формирования распределения магнитной индукции, ин- тегросумматор 16, блок 17 задания мо" мента нагрузки, блок 18 формирования угла поворота ротора, входы 19-24 суммирующих усилителей 6 и 7, блок 25 . 15 формирования начальнь|х значений токов на границе тактов коммутации, блок

26 выделения модуля, элементы 27-30 с односторонней проводимостью, входы 31-34 суммирующих усилителей, вхо- 20 ды 35 и 36 установки начальных условий интеграторов 8 и 9, входы 37 и

38 суммирующих усилителей и ключевые . элементы 39-42.

Блоки 14 и 15 распределения магнитной индукции реализованы на блоках нелинейности и имеют выходные характеристики Г

К(Ф) =, cos(1(.1 + — )

2 Ф

Р (aC) = сов(1.0 — - -) °

2ш

На них воспроизводится в данном конкретном случае синусоидальное распреде" ление индукции в воздушном зазоре, Блок 17 задания момента нагрузки выполнен с выходной характеристикой

1(„= cont при и) = var и реализован

)яа источнике постоянного напряжения.

Блоки 12 и 13 формирования ЭДС вращения и блоки 10 и ll формирования электромагнитного момента реализованы на блоках умножения двух переменных. Блок 26 выделения модуля построен на усилителе 43 с резисторами 44 и 45 и двух диодах 46 и 47.

Блок 18 формирования угла поворота ротора выполнен по схеме генератора пилообразных напряжений и включает усилитель 48,конденсатор 49, резистор 50,контакт 51 и реле 52. 50

Во избежание дублирования по функциональному назначению блоков для по.лучения модуля сигнала 1Ц, поступающего на управляющий вход 53 схемы 54 сравнения, используется блок

26 выделения модуля. На второй вход схемы 54 сравнения подается опорное напряжение U пропорциональное угловой длительности межкоммутаиионно1-г- + а(„

Д а .)- - 1 + i, ат..) — <+05

+ 0,5 ) —.4. + 0»5 1т

+ В„(. „) +.>Г„(<) u. i(i)

+ Ft„(i<)i» е 2F<(o() * U — безразмерное время, относительная и идеальная частоты вращения, 4 = h R h Ы,/

/И„ „ — относительные электромагнит-. ная и электромеханическая постоянные

32

4 го интервала М „ц . Реле 52 срабатывает от положительного суммарного сигнала на входе схемы 54 сравнения.

Блок 25 формирования начальных значений токов на границе тактов коммутации содержит апериодическое звено

55 с двумя входами 56 и 57, включающий усилитель 58, конденсатор 59, резисторы 60, размыкающие контакты 61 реле 62, второе апериодическое звено

63, включающее усилитель 64, конденсатор 65, .резисторы бб, размыкающий контакт 67 реле 62, инвертор 68 с резисторами 69. Блок 25 также включает замыкающие контакты 70 и 71 реле 62, блок 72 нелинейности типа

"ограничение", реле 73 и 74 с разомкнутыми контактами 75 и 76 соответственно, развязывающие диоды 77 и 78 и элемент ИЛИ-HE 79. На фиг. 2 структура блоков 4 и 5 идентична и каждый чз них включает усилители 80-82. конденсатор 83, резисторы 84, койтакты

85 реле 86, Система дифференциальных уравнений, описывающая возможные электромагнитные состояния ВД, состоит из уравнений с дискретно изменяемыми на каждом такте коммутации свободными членами и коэффициентами, конкретные значения которых определяются либо естественным режимом работы, либо режимом управления, либо аварийным режимом. Учитывая та, что индуктивные параметры секции ОЯ рассматриваемых ВД практически не зависят от угла поворота ротора, эта система уравнений, записанная в относительных единицах, дополненная дифференциальным уравнением движения, имеет вид

1425732

5О

i (.) +, (,,„); — i,„(.,„„), ((„}

° Kt E (ог ) где i,, (ик ) ток в соотвстствую щей ветви,, протекаю- 55 щий в конце И-го такта коммутации.

При исследовании режимов, длитель-ность коммутационного интервала Ы„ времени соответственно; l„ — эквивалентная индуктивность секций ОЯ, учитывающая собственную индуктивность и взаимоиндуктивность ОЯ; R — активное

5 сопротивление секций, Т вЂ” момент инерции, приведенныи к валу двигателя;

М „ — максимальный пусковой момент;

,,R<(i) — нелинейное сопротивление

,идеального диода моста обратного то- )g . ка, Р „(«), Р (=С} — относительное значение магнитного потока, пронизывающего коммутируемые секции ОЯ ВД; р„. относительное значение момента на-! грузки, d — угол поворота ротора. )5

Система дифференциальных уравне,ний (1)-(3) позволяет .точно учесть

1 ! не только пульсации магнитного поля, в воздушном зазоре, но.и влияние ком мутационных процессов на статические и динамиче:.кие характеристики в широ-!, ком классе режимов.

Интеграторы 8 и 9 блоков 4 и 5 мо-! ,делированкя электромагнитных процес сов контуров выполнены с выходной ха- 25 рактеристикой .1 Г !

Блоки 4 и 5 моделирования электро,магнитных процессов первого и второ- 31)

,го контуров построены согласно дифференциальным уравнениям (l) и (2)и

".,воспроизводят электромагнитные про .цессы в независимых контурах. Напри- ! мер, при исследовании двигательного режима или режима противовключения в них моделирую rc%. нарастающий и спадающий токи i„, Блок 25 формирования начальных значений токов на границе тактов комМутации фиксирует и задает интегрирующим усилителям 82 блоков 4 и 5 моделирования электромагнитных про цессов контуров граничные значения токов на концах рассматриваемых участков угла поворота ротора. При моделировании двигательного режима или паотивовключения в начало (И+1)-го

МК-интервала "+"контурные токи рав- ны в которых не превышает межкоммутационный,„„, поскольку „(„) = О начальные условия вычисляются в виде

1 (о) = i (d q);

;", " (<.) = О.

На блоках 1О и 11 формирования электромагнитного момента и интегросумматоре 16 воспроизводится решение уравнения движения электропривода (3), Безразмерная величина мгновенного момента Р ВД определяется при этом выражением

1и — i„y„() + i.,F (W).

Блок 18 формирования угла поворота ротора служит для определения углового относительного расположения осей магнита индуктора и осей якорной обмотки электродвигателя, т.е. моделирует функции датчика моложения ротора M.

Блоки 14 и 15 формирования распределения магнитной индукции воспроизводят кривые распределения магнитной индукции, магнитные потоки от которых сцеплены с коммутируемыми ветвями ОЯ . В зависимости от типа ВД мо— гут быть воспроизведены любые зависимости, например, синусоидальный и трапецеидальный законы распределения индукции в зазоре. ,При помощи ключевых элементов 3952 и элементов 27-30 моделируются независимые контуры тока, содержащие диоды моста обратного тока преобразователя частоты (ПЧ). Например, в двигательном режиме при размыкании ключа ПЧ йод действием ЭДС самоиндукции образуется замкнутный электрический контур: i-я секция ОЯ вЂ” J-я секция ОЯ вЂ” открытый ключ ПЧ вЂ” диод—

i--я секция ОЯ, по которому спадает ток, обусловленный энергией, запасенной в индуктивности секций ОЯ.При смене полярности тока ключ с односторонней проводимостью запирается.

С помощью мультиплексоров 2 и 3 воспроизводится значение свободных членов TJ и U дифференциальных уравнений (1) и (2).

Значения свободных членов U< и Uz и коэффициентов R<(i„ ) и R„(i } являются функциями режимов работы и могут, например, принимать значения указанные в таблице. Равенство сопротивления R (i) нулю в таблице

I 425732.5

1О

30

45

50 говорит об отсутствии диода в контуре, а равенство бесконечности— об отсутствии тока в соответствующем контуре. Принятые в таблице сокращения режимов работы: ДТ вЂ” динамическое торможение, Д — двигательный, 0 — отключения, Н — противовключения.

Рассмотрим работу устройства для моделирования ВД на конкретном примере (фиг. 2), например, при исследовании двигательного режима.

Согласно таблице необходимо предварительно установить следующие значения: Uq = 0; U = + Uu 1;

Ry(i<) — прямое включение, Ry(i ) отсутствует. Для этого замыкают ключевой элемент 39. На вход 22 блока 5 моделирования электромагнитных про.— цессов второго контура подают напряжение, пропорциональное напряжению питания ВД. Для этого выставляют соответствующий код на входах управления мультиплексора 3. На вход 21 блока 4 подают нулевое напряжение.

При поступлении напряжения питания на вход 22 блока 5 моделирования электромагнитных процессов на выходе указанного блока появляется ток i, который, поступая на блок II формирования электромагнитного момента, создает вращающий момент двигателя и Г (а() ток i при этом отсутст) вует. Вращающий момент, суммируясь с моментом нагрузки на интегросумматоре !6, преобразуется в скорость двигателяи5, которая, действуя на блок

18 формирования угла поворота ротора, превращается в угол поворота ротора квантованный на отрезки и = Б%7ш, равные межкоммутационному интервалу.

На выходе блока 18 получается пилообразный сигнал оСм®„ (фиг. 3), который, поступая на блоки 14 и 15 формирования распределения магнитной индукции, создает на их выходе функции распределения магнитной индукции.

F (K) = cos (1. + — ); электромагнитные моменты контуров ,М = i F { ). Как тольком / 0 и (7 О, сигналы е<, е начинают участвовать в формировании токов

В конце каждого МК-интервала Си на выходе элементе ИЛИ-HE 79 формируется короткий импульс {фиг. 3) длительность которого определяется крутизной линейного участка кривой блока 72 нелинейности типа "ограничение" и выбирается из условия обеспечения требуемой точности исследования процессов ВД. При наличии импульса на выходе элемента ИЛИ-НЕ 79 обмотки реле 62 и 86 оказываются подключенными к источнику питания. Размыкаются контакты 61 и 67 и замыкают» ся контакты 70 и 71 реле 62, обеспечивая поступление на входы 35 и 36 ввода начальных условий интеграторов

8 и 9 начальных значений токов.i<(<4) и x (k ) согласно выражениям для моделирования следующего такта коммутации. При поступлении управляющего сигнала на вход реле 86 с помощью его контактов 85 происходит быстрая перезарядка конденсатора 83 интегратора до значения напряжения, подаваемого на его вход. При снятии режима задания начальных условий структура интегратора перестраивается к исходной.

На втором МК-интервале и на последующих в процессе формирования электромагнитного момента участвуют оба

;блока 4 н, 5 моделирования электромагитных процессов контуров. Блок 4 моелирует контур со спадающим током. . н+ ° М

Ток i „спадает со значения i (С ), если до конца (N + 1) — ro MK-интервала он успевает спасть до нуля, при смене его знака размыкается ключевой элемент 39 и ток обратной полярности, как и в реальном ВД, протекать не может.

Графики токов iq, i и i = i< + ie

JlpH квазиустановившемся режиме работы

ВД для случаев когда a«

Для моделирования режима динамического торможения необходимо установить следующие значения: U —— !

4 = О, Н (4 ) и В () — обратное включение. Для этого„замыкаются ключевые элементы 40 и 42 ° На вход 21 блока 4 моделирования электромагнитДЗ О np +U О -U пр. О -U пр. О ОБ -U пр. -„0 О сыд +U О О Р О съю О О ОБ:О О - / О

О ОВ. -U О

0.0S -и Î

ДТ +U 03 . +5 О +U ОБ .О - +U OS О ОБ

ПБ +и ОБ +и О +U ОБ О щ ОВ О ОВ

9 1425732 1О ных процессов первого контура подает- Аналогичным, образом могут быть ся напряжение U = 1. На вход, 22 бло- смоделированы любые другие режимы, ка 5 подается нулевое напряжение. данные о которых приведены в таблице, Устройство для моделирования работает например переход от режима динами5 при этом аналогичным образом. ческого торможения к двигательному и наоборот.! 425732

l425732, Ж ПУ

: А и

Редактор П. Гереши

Заказ 4774/50 Тираж 764 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 1 3О35 9 москва, Ж-35 9 Ра шская наб с ф д@ 4/5

Производс твенHo поли рафи еское предприятие, 1 . Уж ород, ул. Проектная, 4 ф !

Составитель И, Дубинина

Техред Л.Олийнык корректор N. Васильева