Устройство для моделирования электромагнитных процессов в асинхронных машинах

 

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к моделированию электрических систем. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет моделирования асинхронных машин с произвольной обмоткой статора. Это достигается введением в устройство третьего коммутатора имитации вращения ротора и блока управления коммутаторами вращения ротора. 8 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЯИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (S1)S С 06 С 7/62

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А8ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР

1 (21) 4434494/24-24 (22) 31.05.88 (46) 23.09,90. Бюл, № 35 (71) Ереванский политехнический институт им. К. Маркса (72) Э.С, Фрнджибашян, Л.С. Парванян и Г.К. Мугалян (53) 681.333 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1125633, кл. G 06 G 7/62, 1982, Фрнджибашян Э.С., Парванян Л.С.

Структурное моделирование асинхрон-. ных машин с учетом насыщения и взаимного перемещения зубчатых сердечников. Известия Академии Наук Армянской

ССР, XXXVII, 1984, h- 3, Сер. технических наук, с. 16-21, рис. 1.

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике, в частности моделирования электрических систем

° или устройств.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей за счет моделирования асинхронных машин с произвольной обмоткой статора.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства на функциональном уровне; на фиг.2 — первая и вторая резистивные сетки, образующие сеточную модель магнитной цепи блока моделирования обмотки статора; на фиг.3 —третья резистивная сетка, образующая сеточную модель магнитной цепи ротора и блока моделирования обмотки ротора; на фиг.4 — принципиальная схема блока моделирования обмотки статора;

ÄÄSUÄÄ 1594569 А1

2 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В АСИНХРОННЫХ MAIHHHAX (57) Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к моделированию электрических систем.

Цель изобретения †. расширение функцио— нальных возможностей за счет моделирования асинхронных машин с произвольной обмоткой статора. Это достигается введением в устройство третьего коммутатора имитации вращения ротора и блока управления коммутаторами вращения ротора. з.п. ф-лы, 8 ил, на фиг.5 — схема блока решения уравнений электромеханического равновесия машины; на фиг.б — схема блока управ ления коммутатора имитации вращения ротора; на фи„ 7 схема коммутатора © имитации вращения ротора; на фиг.8— составляющие угла поворота ротора.

Устройство содержит резистивные сетки 1 — 3, воспроизводящие магнитное froze машины в участках магнитной цепи, ограниченных внешним контуром сердечника статора, окружностью, про- ф> ходящей через средние точки граничных линии, отделяющих занятые током и свободные от токов участки пазов, а также кривой вдоль расточки статора, блок моделирования обмотки ротоt ра 4, блок модегирования обмотки статора 5, первый 6, второй 7 и тре1594569 тий 8 коммутаторы имитации вращения ротора, включающие обратимые электронные ключи 9, блок 10 решения уравнений электромеханического равновесия

5 машины и блок 11 управления коммутаторами вращения ротора. Резистивные сетки 1-3 (фиг.2 и 3) выполнены на переменных резисторах 12 и 13 соответственно с одним и двумя независимо регулируемыми подвижными контактами„ . причем посредством резисторов 12 мо— делируются магнитные проводимости шлицевых участков пазов статора и ротора, а с помощью резисторов 13 — магнитные проводимости участков воздушного зазора в интервале 1/6 зубцового деления статора, а также пазов без учета шлицев, нелинейных резисторов 14, моделирующих магнитные проводимости участ-щ ков ярем, зубцов сердечников статора и ротора, центральные узлы 15-23 резистивной сетки 3, конденсаторы 24 и 25, моделирующие активные сопротивления соответственно стержней и участ-25 ков короткозамыкающих колец между стержнями, резисторы 26, воспроизводящие индуктивности лобового рассеяния указанных участков короткозамыкающих колец. 30

С центральными узлами 27-38 первой резистивной сетки соединен блок 5 (фиг.4), включающий группу идентичных трансформаторов 39. Первичные обмотки 40 трансформаторов соединены между собой по схеме соединения секций обмотки статора и подключены к выходным узлам электрических мостов 41, Одни из входных узлов электрических мостов 41 через конденсаторы 42 подключены к внешним клеммам А,В,С модели обмотки статора а другие входные узлы через цепочки из IIoc ледовательно включенных резисторов 43 и

44 соединены с клеммами Х, Y Е, причем 5 резисторы 43 и 44 моделируют индуктивности лобового рассеяния, а конденсаторы 42 — .активные сопротивления фаз обмотки статора. Напряжения и. токи модели обмотки статора, соответствующие потокосцеплениям и токам фаз, измеряются на выходах повторителей 45 и 46. Вторичные обмотки 47 трансформаторов 39 через электронные мосты 48 подключаются к чзлам 27-38 резистивной сетки 1. В плечи элект° рических мостов 41 и 48 введены об„ ратимые электронные ключи 49,управляемые синфазно в противолежаших плечахи в противофазе в смененных плечах.

Напряжения управления электронными ключами 49 формируются на прямом и инверсном выходах импульсного генератора 50.

Напряжение с выходов повторителей 45 поступает на входы 51-53 вычитателей 54 (фиг.5) выходы которых соединены с одними из входов пе- ремножителей 55. Другие входы 5658 перемножителей 55 соединены с выходами повторителей 46, сумма выходных напряжений перемножителей 55, формируемая посредством сумматора

59, соответствует электромагнитному моменту, действующему на роторе моделируемой машины и подается на один

1 нз входов интегратора 60, на другой вход которого поступает напряжение, соответствующее моменту нагрузки на валу двигателя. Выходное напряжение интегратора 60, соответствующее угловой частоте вращения ротора, поступает на вход интегратора 61 и через электронный ключ 62 подается на вход усилителя 63., Выход интегратора 61 через резистор

64 соединен с неинвертирующим входом дифференциального усилителя 65, охваченного положительной обратной связью цепочкой из последовательно соединенных резисторов 66 и 67. Выход усилителя 65 через включенный в обратном направлении диод 68 соединен с резистором 69, на котором формируется напряжение управления электронным ключом. Инвертирующий вход усилителя 65 соединен с подвижным контактом переменного резистора 70, питаемого от источника +Е . Реализация режимов "Пуск" и "Возврат" блока 10 осуществляется посредством введенных во входные цепи интеграторов 60 и 61 контактов 71-74 соответственно реле

75 и 76, включаемых через клавишный переключатель 77. Начальное напряже— ние на выходе интегратора 61, определяющее исходную угловую координату ротора, задается в режиме Возврат посредcTBoM соединенной с источни— ком -Е цепи из резисторов 78 — 80, одновременно включением в цепь обратной связи резистора: 81 сбрасывается напряжение на выходе интегратора

60. Импульсы с выхода усилителя 65 (фиг.4) поступают на вход 82 делителя, образованного резисторами 83 и

84 (фиг.5), выход которого подк:лючен

1594569 к базе транзистора 85, соединенного по схеме с общим эмиттером. Импульсы на коллекторе транзистора 85, соединенном через резистор 86 с источником питания +Е2, подаются на

С-вход триггера 87, единичный выход которого соединен с D-входом, а нулевой выход — с С-входами группы триггеров 88-91. Единичный выход триггера 88 соединен с С-входами гой группы аналогичных триггеров

92-94, образующих второй кольцевой счетчик. На инвертирующие R-входы триггеров 87, 88 и 92, инвертирующие

S-входы остальных триггеров подается единичное напряжение с выхода фильтра низких частот (образованного резистором 95 и конденсатором 96), вход которого соединен с источником

+Е ..Инвертирующие S-входы триггеров

87, 88, 92 и инвертирующие R-входы остальных триггеров подключены через резистор 97 к источнику питания +Е и через кнопочный выключа2 тель с замыкающим контактом 98 — к шине нулевого потенциала. Единичные выходы групп триггеров 88-91, 9294 и единичный и нулевые выходы ".. триггера 87 подключены соответственно к управляющим входам 99-102, 103105 и 106 и 107 групп электронных ключей 9 коммутаторов 6-8 (фиг.7).

Связь между резистивными сетками 1 и 2 осуществляется посредством последовательно включенных коммутаторов 6 и 7 через клеммы 108-119 и

120-131, а между резистивными сетками 2 и 3 — посредством коммутатора

8 через клеммы 132-191 и )92-263.

Устройство также содержит резисторы 264-275 (фиг.5) и блок моделирования трехфазной сети 276 (фиг.)).

Коммутаторы 6 и 7 состоят соответ ственно из четырех и трех групп параллельно управляемых ключей 9, число которых в каждой группе равно числу К 1 зубцов статора моделируемой машины, причем для рассматриваемого случая при Z „=-12 коммутатор 7 выполняется однокаскадным. Число групп электронных ключей 9 в коммутаторе

6 и в каждом каскаде коммутатора 7 определяется множителями, на которые можно разложить число зубиов статора Z . Путем из возможных вариан1 тов разложения числа зубцов статора

Z „ на множители выбирается тот,,который обеспечивает наименьшую сумму

10 множителей. Для принятого числа зубцов статора Z =12 можно указать два "

1 примерно разноценных варианта разложения на множители ?:2:3 и 4:3, так как и в том, и в другом варианте сумма множителей 2 + 2 + 3 = 4 + 3 = 7.

В случае Z =24 разложение 4:2:3 обеспечивает наименьшую сумму множителей 4 + 2,+ 3 = 9. Согласно этому разложению коммутатор 6 должен содержать четыре группы электронных ключей, а коммутатор 7 — пять групп, иэ которых три включаются в г ррвый каскад, а две во второй каскад.

Принятая схема соединения коммутатора имитации вращения ротора между собой и с моделью магнитной

20 цепи позволяет существенно уменьшить требуемое количество электронных ключей. Количество узлов резистивной сетки вдоль расточки статора равно 5 Z (фиг.3). При имитаI ции полного оборота ротора с шагом дискретизации вращения, равным половине зубцового деления статора,Hp обходимо с помощью коммутатора фиксировать 2 Z взаимных положений

30 сеточных моделей магнитных цепей статора и ротора. Это требует при известном способе имитации вращения

5Z, 2Z, = l0i., электронных ключей (при

Z „= 24, 10Z 1 = 5760).

35 Принятый подход к имитации вращения ротора при К 1 = 24 требует только лишь 5Z, 2 + 4? + 2i. + 3Z

f 1

19Z, = 456 электронных ключей.

Значение К = 3 (К вЂ” числе групп

40 электронных ключей в коммутаторе 7, фиг.8) в выражениях для составляющих углов поворота ротора, имитируемых коммутаторами 6 и 7, соответствует К 1 = 12 В учае Z! = ?4, 4 К = К,. К2 = 2/3 = 6, где К, и К 2— числа групп электронных ключей соответственно в первом H BTopoM каскадах коммутатора 7. Причем блок управления имитатора вращения ротора при Z = 24 должен включать три кольцевых счетчика, вырабатывающих импульсы соответственно для коммутатора 6, первого и второго каскадов коммутатора 7. Управляющие С-входы триггеров

55 тРетьего кольцевого счетчика должны быть соединены с единичным выходом триггера 92 второго кольцевого счетчика, т.е. третий кольцевой счетчик должен быть соединен с вторым коль1594569

50 цевым счетчиком так, как второй кольцевой счетчик соединен с,первым, по- этому число идентично соединенных между собой кольцевых счетчиков в схе5 ме блока управления коммутаторами вращения ротора должно быть на единицу больше числа каскадов коммутатора

В моделирующем устройстве решается следующая система дифференциальных уравнений электромеханического равновесия машины, представленная в координатных осях А,В,С фаз в следующем виде.

j VAdt = (3/д + 1.6 . 1 + r)iA dt( (1) 15

J U dt = в+ L g в + r)i

+ 2г )i dt (2) 20 (и 1,2,...,N)

1 3 (m - m )dt (3) где 3.3М, 3-38» Пс 25

1,, 16j i- с — напряжения и токи фаз обмотки статора;

c r потокосцепления фаз обмотки статора без учета, лобового рассеяния1

1 ц „ — потокосцепление иго (п=-31,2...,,9) контура короткозамк-

35 нутой обмотки ротора образованного двумя соседними ° стержнями и замыкающими их участкамикороткозамыкаюших колец, без учета лобового рассеяния (фиг.3); активное сопротивле- 4» ние и индуктивность лобового рассеяния фазной обмотки ста.п тора; токи стержней и се си@ к участков колец и-го контура обмотки ротора;

N — число контуров ротора;

55 г — активное сопротивлеСв ние стержня; г, L „- активное сопротивление и индуктивность участка короткозамыкающего кольца между соседними стержнями обмотки ротора; электромагнитный момент

m = д(iь("д V) + iс,(б V,) +

+ i (y v )1 (4) m — тормозящий момент на валу т двигателя, I — момент инерции ротора.

Устройство работает следующим образом.

Нажатием кнопки 98 (фиг,») и клавиш "Возврат" устройство переводится в исходное состояние, при котором на выходах интеграторов 60 и 63 устанавливаются начальные значения напряжений, а триггеры 87-94 переходят в начальные состояния.

В режиме "Пуск", реализуемом при нажатии клавиши пПуск, с выходов модели трехфазной сети соответствующие 3 Ь,ЗС31, JU dt, Псdt поступа- ют на вход блока моделирования обмотки статора 5, посредством которой решается система дифференциальных уравнений (1), описывающих процессы в фазах статора. При этом на входе электрического моста 41 (фиг.4) формируется напряжение, соответствующее потокосцеплению фазной обмотки ! статора (3без учета лобового рассеяния, на конденсаторе 42 и резисторах 43 и 44 — напряжения, соответствующие потокосцеплению лобового рассеяния L i 1 ñ1è интегралу падения напряжения r(i> 3> 3dt на активном сопротивлении обмотки, а на выходах электрических мостов 48 — напряжения, соответствующие потокосцеплениям секций фазной обмотки. Под действием выходных напряжений электрических мостов 48 образуются токи, воспроизводящие ЩС секций обмотки статора, которые .вводятся в центральные узлы первой и второй резистивных сеток

1 и 2, соответствующие пазам статора машины. Напряжения на выходах повторителей 45 и 46, соответствующие потокосцеплениям у„, у и у и токам i, i. и дс обмотки статора поступают на вход блока 10 решения уравнений электромеханического равнове15945

9 сия машины (фиг.4), в результате чего на выходе сумматора 59 формируется согласно (4) напряжение, соответствующее электромагнитному момен-.

5 ту m . Далее по известному моменту нагрузки m и найденному электромагнитному моменту посредством интегратора 60 решается уравнение движения ротора (3), в результате чего на выходе интегратора 60 формируется положительное напряжение, соответствующее угловой скорости вращения ротора ы . Указанное напряжение преобразуется в частоту следования импульсов на выходе усилителя 65, которые поступают на вход блока 11 (фиг.6). Усилитель 65, охваченный положительной обратной связью через резисторы 66 и 67, образует порого-. вый детектор, порог срабатывания которого определяется опорным напряжением, поступающим на инвертирующий вход с выхода переменного резистора 70,Частота следования импульсов за- 25 висит от резистора 67, а также величин напряжения на выходе интегратора 60 пи аемого источника +K . При положитель- .

НоМ напряжении на выходе усилителя 65 электронный ключ 62 находится в прово"

-дящем состояниИ (напряжение между затвором и источником полевого транзистора, на основе которого реализован электронный ключ, равно нулю). Сум-. ма выходных напряжений усилителя 63 и интегратора 60, поступающая на вход интегратора 61, равна напряжению интегратора 60 с противоположным знаком, вследствие этого на выходе интегратора 61 формируется линейно 40 возрастающее положительное напряжение.

При достижении напряжения на входе усилителя 65 порогового значения пороговый детектор переходит в другое устойчивое состояние, при котором 45 на его выходе устанавливается отрицательное напряжение, запирающее электронный ключ 62. В результате этого на вход интегратора 6) поступает только положительное выходное нап- 50 ряжение интегратора 60, приводящее в конечном счете к образованию на . выходе интегратора 61 отрицательного напряжения и срабатыванию порогового детектора при достижении напряжения на его входе порогового значения.

В исходном состоянии устройства (в режиме "Возврат" ) нажатием кноп" ки 98 триггеры 87, 88 и 92 переводят-.

69 ворота ротора относительно статора, представляемые следующими выражениями:

li

tl i л к Е ь

2Г

1 I t-(n-0,5) - — - J— ир2

2 Г

1(t -n — — ); г р г

2Г (t — и — — ) ш 2 Р

l 2fii

l (t — — n — );

3 (.

l 27)

1(t — — n — )

21i г,= 21

217

2П

Ч =Х

k7, 2

2Г (t — n — ) Юр

261 и=! где l(t-i) — единичный скачок; и> — угловая скорость вращеP ния ротора.

При этом в модели угловая координата ротора относительно статора (фиг.7) ся в единично.е состояние, à остальные группы — в нулевое состояние, В режиме "Пуск" с выхода усилителя 65 через делитель, образованный резисторами 83 и 84, через усилитель на транзисторе 85 на С-вход триггера

87 поступают импульсы, каждый из которых приводит к переключению состояния триггера. При этом передние фронты импульсов, формируемых на единичном выходе триггера 87 приводят к циркуляции "1" по замкнутой электрической цепи кольцевого счетчика, образованного триггерами 88-91. Аналогично передние фронты импульсов, генерируемых на единичном выходе триггера 88, приводят к сдвигу "1" по замкнутому контуру кольцевого счетчика, образованного триггерами 92-94.

Сигналы с единичных выходов триггеров 87-94 приводят к согласованному включению групп электронных ключей коммутаторов 6-8, в результате чего имитируется вращение ротора с шагом дискретизации, равным половине зубцового деления статора (фиг.8). При этом посредством коммутаторов 8, 6 и 7 имитируются составляющие угла по15945

2 tl

- n — — „;-)1ЮЕ, Формула Изобретения

1. Устройство для моделирования электромагнитных процессов в асинхронных машинах, содержащее блок моделирования трехфазной сети, блок моделирования обмотки статора, блок моделирования обмотки ротора, блок решения уравнений электромеханического равновесия машины, два коммутатора имитации вращения ротора, блок моделирования магнитной цепи, состоящий из.трех резистивных сеток, внешние и внутренние граничные узлы первой резистивной сетки соединены соответственно с шиной нулевого потенциала устройства и с информационными входами первого коммутатора имитации вра" щения ротора, центральные узлы пер- 25 вой резистивной сетки подключены к выходу магнитодвижущих сил и потокосцепления блока моделирования обмотки статора, выход измерительных цепей которого соединен с входом блока peme-щ ния уравнений электромеханического равновесия машины, вход блока моделирования обмотки статора подключен к выходу блока моделирования трехфазной цепи. Внутренние гранич е узл" вто- 35 рой резистивной сетки блока моделирования магнитной цепи соединены с информационными входами второго коммутатора имитации вращейия ротора, внешние граничные и центральные узлы третьей резистивной сетки блока моделирования магнитной цепи соединены соответственно с выходами второго коммутатора имитации вращения ротора и выходом блока моделирования обмотки ротора, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет моделирования асинхронных машин с произвольной обмоткой ставора, уст- 50 ройство содержит третий коммутатор имитации вращения ротора и блок уп12 . равления коммутаторами вращения ротора, вход запуска которого срединен с выходом блока решения уравнений электромеханического равновесия машины,. первая, вторая и третья группы выходов блока управления коммутаторами имитации вращения ротора подключеньг соответственно к управляющим входам первого, второго и .третьего коммутаторов имитации вращения ротара, выход первого коммутатора имитации вращения ротора соединен с информационным входом третьего коммутатора имитации вращения ротора, выход которого подключен к внешним граничным узлам второй реэистивной сетки блока моделирования магнитной цепи.

2. Устройство по п.1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что блок управления коммутаторами имитации вращения ротора содержит два кольцевых сдвигающих регистра, делитель- напряжения, транзисторный усилитель,.фильтр низких частот, триггер и формирователь одиночных импульсов, выход котароро подключен к информационному входу первого кольцевого сдвигающего регистра, к единичному входу триггера и через фильтр низких частот соединен с информационным входом второго кольцевого сдвигающего регистра, прямой выход триггера подключен к синхровхаду второго кольцевого сдвигающего регистра, выход старшего разряда которого соединен с синхровходом гервого кольцевого сдвигающего регистра, разрядные выходы которого являются второй группой выходов блока, первой группой выходов которого являются разрядные выходы- второго кольцевого сдвигающего регистра, вход делителя напряжения является входом запуска блока, выход делителя напряжения через транзисторный усилитель подключен к синхровходу триггера и к другому входу фильтра низких частот, обратный выход триггера соединен с D-входом триггера, прямой и обратный выходы которого являются третьей группой выходов блока.!

1594569

Фиг.1

От кленм щ-щ Юкленнам ЮУ- rr якяелнам ш- 131

Фиг.2!

594569

37 52 35 30 55 дб 37 М

Фиг.Ф

159ч569

I594569

106 107 .т а но т vz ч ru res!

594569

Заказ 2832

Тираж 561

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Состаивтель d. Ãå÷à

Редактор О. Головач Техред Л.Олийнык!

Корректор Л. Палий