Устройство для моделирования синхронной машины

 

Изобретение относится к моделированию электрических систем и может быть использовано в специализированных аналоговых, аналого-цифровых и цифроаналоговых системах для воспроизведения и расчета установившихся и переходных режимов. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет моделирования симметричных и несимметричных режимов и повышение точности моделирования. Для достижения цели в устройство введены управляемый генератор квадратурных напряжений, два блока формирования трехфазных систем напряжений, два суммирующих усилителя, три датчика тока, два блока формирования проекции тока статора. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к моделированию электрических систем и может быть использовано в специализированных аналоговых, аналого-цифровых и цифроаналоговых системах для воспроизведения и расчета установившихся и переходных режимов.

Известно устройство для моделирования синхронной электрической машины, содержащее блок вычисления скольжения, тока и напряжения, фильтры, блок вычисления проекции переходной ЭДС электрической машины на поперечную ось ротора [1].

Недостатком устройства является отсутствие трехфазного выходного напряжения и, следовательно, невозможность непосредственного моделирования несимметричных режимов и совместного использования с трехфазными моделями электрических сетей.

Кроме того, принципиальным недостатком устройства является наличие в составе фильтров, снижающих точность моделирования и ограничивающих соответственно их функциональные возможности. Наиболее существенно это проявляется при моделировании пусковых и глубоких асинхронных режимов, то есть режимов, сопровождающихся значительным изменением частоты.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является устройство для моделирования синхронного генератора [2], содержащее генератор импульсов стабильной частоты, сумматор частот, делитель частоты, формирователи импульсов, широтно-импульсные модуляторы, амплитудные модуляторы, фильтры, блок вычисления потокосцепления, усилители, суммирующий усилитель мощности, блок управления.

Однако известное устройство не позволяет моделировать несимметричные режимы, так как является однофазным, а не трехфазным. Кроме того, обусловленное принципом наличие в составе устройства фильтров или исключает возможность моделирования режимов со значительным изменением частоты, например, пусковых или глубоких асинхронных, или вызывает значительные погрешности воспроизведения моделируемых процессов.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет моделирования симметричных и несимметричных режимов и повышение точности моделирования.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для моделирования синхронной машины; на фиг. 2 приведена блок-схема используемого в заявляемом устройстве управляемого генератора квадратурных напряжений; на фиг. 3 приведена блок-схема первого и второго блоков формирования трехфазных систем напряжений; на фиг. 4, 5 - соответственно векторные диаграммы, поясняющие принцип действия этих блоков; на фиг. 6 приведена блок-схема первого и второго блоков формирования проекции тока статора.

Устройство для моделирования синхронной машины (фиг. 1) содержит блок 1 вычисления скольжения, генератор 2 квадратурных напряжений, первый блок 3 формирования трехфазных систем напряжений, второй блок 4 формирования трехфазных систем напряжений, первый суммирующий усилитель 5 мощности, второй и третий суммирующие усилители 6, 7 мощности, датчики 8-10 тока, первый и второй блоки 11, 12 формирования проекций тока статора, блок 13 вычисления потокосцеплений.

Управляемый генератор квадратурных напряжений (фиг. 2) содержит управляемый интегратор 14, первый квадратор 15, управляемый суммирующий интегратор 16, инвертор 17, второй квадратор 18, сравнивающий усилитель 19, сумматор 20.

Каждый блок формирования трехфазных систем напряжений (фиг. 3) включает три амплитудных модулятора 21-23, первый и второй сумматоры 24, 25, инвертор 26.

Каждый из блоков формирования проекций тока статора (фиг. 6) содержит три амплитудных модулятора 27-29, сумматор 30. Кроме того, управляемый генератор 2 включает перемножители 31.

Устройство для моделирования синхронной машины работает следующим образом.

При включении напряжения питания устройства на первом и втором выходах управляемого генератора 2 квадратурных напряжений, выполненного, например, по схеме фиг. 2, формируются в результате моделирования дифференциального уравнения синусоидальных колебаний: = -2γ - f²₀ U_г, (1) где γ = - α /20 RC ( α - параметр затухания); f_o = 1/2 π RC - резонансная частота, соответственно напряжения = U_rm sin (ω t + β) и = U_rm cos (ω_r t + β) ,идентифицируемые соответственно с продольной d и поперечной q осями синхронной машины. Управление частотой генерируемых квадратурных напряжений и осуществляется величиной управляющего напряжения U_y= ω_r на выходе генератора 2 квадратурных напряжений путем регулирования, например, с помощью аналоговых перемножителей 31, сигналов на информационных входах управляемого интегратора 14 и управляемого суммирующего интегратора 16, что эквивалентно регулированию постоянных времени RC этих интеграторов.

Задание амплитуды U_rm генерируемых квадратурных напряжений и устанавливается опорным напряжением U_o на одном из входов сравнивающего усилителя 19. Постоянство заданной U_rm обеспечивается безынерционным контуром регулирования амплитуды, содержащим два квадратора 15, 18, например, на базе аналоговых перемножителей, сумматор 20 и сравнивающий усилитель 19. Принцип действия контура основан на безынерционном преобразовании квадратурных гармонических напряжений в напряжение постоянного тока в соответствии с известным тригонометрическим выражением: [U_rmsin (ω_r t + β)]² + [U_rm cos (ω_r t + β)]² = = U_rm² [sin² (ω_r t + β) + cos² (ω_r t + β)] = U_rm² (2) Результат преобразования, осуществляемый с помощью квадраторов 15, 18 и сумматора 20, сравнивается в сравнивающем усилителе 19 с напряжением постоянного тока U_o, устанавливаемым пропорциональным квадратному корню номинального статорного напряжения синхронной машины. Усиленное сравнивающим усилителем 19 напряжение рассогласования с его выхода поступает на один из управляющих входов управляемого суммирующего интегратора 16. В результате осуществляется автоматическое регулирование стабилизирующего амплитуду генерируемых напряжений сигнала обратной связи с выхода инвертора 17 на соответствующий указанному управляющему входу информационный вход управляющего суммирующего интегратора 16. В результате поддерживается на требуемом уровне затухание γ и, следовательно, стабильность амплитуды U_rm генерируемых квадратурных напряжений , поступающих на соответствующие входы блоков формирования трехфазных систем напряжений 3, 4 (фиг. 3), и , поступающих на соответствующие входы блоков формирования трехфазных систем напряжений 3, 4. В этих блоках 3, 4 напряжения и поступают на входы сумматоров 24, 25 и инвертора 26, с помощью которых согласно диаграммам (фиг. 4, 5) на четвертых, пятых и шестых выходах формируются опорные трехфазные системы напряжений: d_o=U_гmSin(ω_гt+β), d_o=Sin(ω_гt+β-2Π/3), d_o= U_гmSin(ω_гt+β+ ), ориентированная относительно продольной оси d синхронной машины (фиг. 4) - на указанных выходах первого блока 3, и q_o=U_гmCos(ω_гt+β),
q_o=U_гmCos(ω_гt+β- ),
q_o= Cos(ω_гt+β+ ), ориентированная относительно поперечной оси q синхронной машины (фиг. 5) - на указанных выходах второго блока 4. Причем четвертый выход блока 3 является одновременно и его первым входом, на который с первого выхода управляемого генератора 2 квадратурных напряжений подается напряжение , являющееся вместе с этим и напряжением d_o (фиг. 3, 4). Четвертый выход блока 4 является также его первым входом, на который с второго выхода управляемого генератора 2 квадратурных напряжений подается напряжение , являющееся одновременно и напряжением q_o (фиг. 3, 5). Пятым выходом блока 4, на котором формируется напряжение q_o, и шестым выходом блока 3, на котором формируется d_o, является выход сумматора 25, с помощью которого и инвертора 26 согласно диаграммам (фиг. 4, 5) формируются q_o и d_o. Шестым выходом блока 4, на котором формируется q_o, и пятым выходом блока 3, на котором формируется d_o, является выход сумматора 24, с помощью которого согласно диаграммам (фиг. 4, 5) осуществляются эти формирования. Кроме этого, как следует из фиг. 3, на третьи входы блоков 3 и 4 поступают соответственно с первого и второго выходов блока 13 вычисления потокосцеплений продольная U_d и поперечная U_q составляющие напряжения статора машины, полученные в блоке 13 путем моделирования уравнений:
U_d= - +Ψ_q+Ψ_q - Id·r_a, (3)
U_q= - +Ψ_d+Ψ_d - I_q·r_a, (4), где ϑ_d и ϑ_g - потокосцепления соответственно по продольной и поперечной осям машины;
и - cоответствующие трансформаторные ЭДС;
- частота скольжения машины;
I_d и I_q - соответственно продольный и поперечный токи статора;
r_a - активное сопротивление обмотки статора.

Согласно фиг. 3, третий вход блоков 3 и 4 образован путем объединения первых входов амплитудных модуляторов 21-23, на вторые входы которых подаются соответственно составляющие опорной трехфазной системы напряжений: d_o, d_o, d_o - в блоке 3 и q_o, q_o, q_o - в блоке 4, формируемые, как уже отмечалось, в этих же блоках. Поэтому напряжения: U_d - в блоке 3 и U_q - в блоке 4 являются сигналами, посредством которых осуществляется модуляция опорных трехфазных систем напряжений: d_o, d_o, d_o и q_o, q_o, q_o соответственно.

В результате модуляции напряжением U_d опорной трехфазной системы напряжений: d_o, d_o, d_o в блоке 3 (фиг. 3) на первом, втором и третьем выходах его, являющихся выходами амплитудных модуляторов 21-23, формируется трехфазная система продольных проекций фазных напряжений:
=U_Ad_mSin(ω_гt+β),
=U_Bd_mSin(ω_гt+β- ),
= U_Cd_mSin(ω_гt+β+ ), в результате модуляции напряжением U_q опорной трехфазной системы напряжений: q_o, q_o, q_o в блоке 4 (фиг. 3) на первом, втором и третьем выходах его, являющихся выходами амплитудных модуляторов 21-23, формируется трехфазная система поперечных проекций фазных напряжений:
=U_Aq_mcos(ω_гt+β),
=U_Bq_mcos(ω_гt+β- ),
=U_Cq_mcos(ω_гt+β+ ). Проекции и суммируются с помощью суммирующего усилителя 5 мощности, и суммируются с помощью суммирующего усилителя 6 мощности, а и суммируются с помощью суммирующего усилителя 7 мощности. При этом на выходах суммирующих усилителей 5-7 мощности, выведенных через датчики 8-10 тока, формируются напряжения фаз синхронной машины: =Sin(ω_гt+ϕ),
=Sin(ω_гt+ϕ- ),
=Sin(ω_гt+ϕ+ ).

параллельно этому напряжения опорной трехфазной системы:, d_o с четвертого, пятого, шестого выходов первого блока 3 формирования трехфазных систем напряжений поступают на аналогичные входы первого блока 11 формирования проекций тока статора (фиг. 6), являющиеся первыми входами модуляторов 27-29 соответственно. На первый, второй, третий входы блока 11, являющиеся соответственно вторыми входами тех же модуляторов, с информационных выходов датчиков 8-10 тока подаются напряжения
=Sin(ω_гt+α),
=Sin(ω_гt+α_o- ),
= U_iCmSin(ω_гt+α+ ), пропорциональные токам нагрузки фаз синхронной машины: ≡ i_A, ≡ i_B, ≡ i_c. Вследствие модуляции этими напряжениями соответственно напряжений: d_o, d_o, d_o и суммирования выходных напряжений модуляторов 27-29 с помощью сумматора 30 на его выходе, являющемся выходом блока 11, формируется напряжение:
U_Id= [U_imsin(ω_гt+α)·U_гmsin(ω_гt+β)+U_imsin(ω_гt+α- )× (5)
×U_гmsin(ω_гt+β- )+U_imsin(ω_гt+α+ )·U_гmsin(ω_гt+β+ ), где U_imsin(ω_гt+α)=, U_гmsin(ω_гt+β)=d_o,
U_imsin(ω_гt+α- )=, sin(ω_гt+β- )=d_o,
U_imsin(ω_гt+α+ )= , U_гmsin(ω_гt+β+ )=d_o, пропорциональное продольному току статора U_Id = I_d. Одновременно с этим с четвертого, пятого, шестого выходов второго блока 4 формирования трехфазных систем напряжений напряжения опорной трехфазной системы , , подаются на аналоговые входы второго блока формирования, проекций тока статора 12, в котором (фиг. 6) точно так же, как и в блоке 11, формируется на его выходе напряжение
U_Iq= [U_imsin(ω_гt+α)·U_гmcos(ω_гt+β)+U_imsin(ω_гt+α- )× (6)
×U_гmcos(ω_гt+β- )+U_imsin(ω_гt+α+ )·U_гmcos(ω_гt+β+ ), где U_гmcos(ω_гt+β)=q_o,
U_гmcos(ω_гt+β- )=q_o,
U_гmcos(ω_гt+β+ )=q_o, пропорциональное поперечному току статора U_Ig = I_q. Напряжения U_Id и U_Iqподаются соответственно на первые и вторые входы блока 13 вычисления потокосцеплений и блока 1 вычисления скольжения. При этом в блоке 13 осуществляется моделирование системы уравнений:
= U_fd-i_fd·r_fd, (7)
₌ , (8)
^=-iD1·^rD1, (9)
=-i_Q1·r_Q1, (10)
=-i_D2·r_D2, (11)
=-i_Q2·r_Q2, (12)
E_d= Ψ_fd- i_fd· X_σfd, (13)
E_q= Ψ_fq- i_fq· X_σfq, (14)
i_D1= - , (15)
i_Q1= - , (16)
i_D2= - , (17)
i_Q2= - , (18)
i_fd= - I_d-i_D1-i_D2, (19)
i_fq= - I_q-i_Q1-i_Q2, (20)
Ψ_d= E_d- I_d·X_σd, (21)
Ψ_q= E_q- I_q·X_σq, (22) где ϑ - потокосцепление;
U - напряжение;
Е - ЭДС;
i, I - токи;
r - активное сопротивление;
Х - реактивное сопротивление;
К - коэффициент, учитывающий насыщение генератора, зависящий от величины E;
индексы: d, D и q, Q идентифицированы соответственно с продольной и поперечной осями d, q синхронной машины, D и Q, кроме этого, еще и с демпферными контурами, f индекс идентифицирован с контуром возбуждения, а α - со статором синхронной машины; индекс σ идентифицирован с магнитным рассеянием.

Сформированные в блоке 13 потокосцепления ϑ_d и ϑ_q подаются на третий и четвертый входы блока 1, где происходит моделирование уравнения движения ротора синхронной машины
= M_т- I_q- I- , (23) где δ - угол сдвига ЭДС синхронной машины по отношению к оси, вращающейся с синхронной скоростью;
М_т - момент турбины;
Р_d - коэффициент демпфирования;
Т_j - постоянная инерция ротора синхронной машины.

Получаемое в процессе решения уравнения (23) напряжение, пропорциональное частоте скольжения d δ/dt, с второго выхода блока 1 подается на третий вход блока 13, в котором используется для моделирования уравнений (3), (4). Формируемое в процессе решения уравнения (23) напряжение, пропорциональное частоте вращения ротора синхронной машины ω_г=ω_с+ , где ω_с = const - синхронная частота вращения, с первого выхода блока 1 подается на вход управляемого генератора 2 квадратурных напряжений для управления частотой генерируемых квадратурных напряжений:
и и, следовательно, частотой выходных напряжений синхронной машины: , , .

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ, содержащее блок вычисления скольжения, блок вычисления потокосцеплений и первый суммирующий усилитель мощности, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет моделирования симметричных и несимметричных режимов и повышения точности моделирования, оно включает управляемый генератор квадратурных напряжений, два блока формирования трехфазных систем напряжений, второй и третий суммирующие усилители мощности, три датчика тока, первый и второй блоки формирования проекции тока статора, причем первый выход управляемого генератора квадратурных напряжений соединен с первыми входами первого и второго блоков формирования трехфазных систем напряжений, вторые входы которых подключены к второму выходу управляемого генератора квадратурных напряжений, первый, второй и третий выходы первого блока формирования трехфазных систем напряжений соединены с первыми входами соответственно первого, второго и третьего суммирующих усилителей мощности, первый, второй и третий выходы второго блока формирования трехфазных систем напряжений подключены к вторым входам соответственно первого, второго и третьего суммирующих усилителей мощности, выходы первого, второго и третьего суммирующих усилителей мощности соединены с входами первого, второго и третьего датчиков тока соответственно, выводы которых являются фазными выходами устройства, информационные выходы первого, второго и третьего датчиков тока подключены соответственно к первым, вторым и третьим входам первого и второго блоков формирования проекций тока статора, четвертые, пятые и шестые входы которых соединены соответственно с четвертыми, пятыми и шестыми выходами первого и второго блоков формирования трехфазных систем напряжений, выход первого блока формирования проекций тока статора подключен к первым входам блока вычисления потокосцеплений и блока вычисления скольжения, вторые входы которых подключены к выходу второго блока формирования проекции тока статора, первый и второй выходы блока вычисления потокосцеплений соединены соответственно с третьими входами первого и второго блоков формирования трехфазных систем напряжений, третий и четвертый выходы блока вычисления потокосцеплений соединены соответственно с третьим и четвертым входами блока вычисления скольжения, первый выход которого подключен к входу управляемого генератора квадратурных напряжений, второй выход блока вычисления скольжения соединен с третьим входом блока вычисления потокосцеплений.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый из блоков формирования трехфазных систем напряжений содержит первый, второй и третий амплитудные модуляторы, первый и второй сумматоры и инвертор, причем первые входы первого, второго и третьего амплитудных модуляторов объединены и являются третьим входом блока, второй вход первого амплитудного модулятора и первые входы первого и второго сумматоров объединены и являются первым входом и четвертым выходом блока, выход первого амплитудного модулятора является первым выходом блока, второй вход первого сумматора объединен с входом инвертора и является вторым входом блока, выход первого сумматора соединен с вторым входом второго амплитудного модулятора и является пятым выходом блока, выход второго амплитудного модулятора является вторым выходом блока, выход инвертора соединен с вторым входом второго сумматора, выход которого подключен к второму входу третьего амплитудного модулятора и является шестым выходом блока, выход третьего амплитудного модулятора является третьим выходом блока.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый из блоков формирования проекций тока статора содержит три амплитудных модулятора и сумматор, первые входы амплитудных модуляторов являются соответственно четвертым, пятым и шестым, а вторые входы амплитудных модуляторов соответственно первым, вторым и третьим входами блока формирования проекций тока статора, выходы амплитудных модуляторов подключены к входам сумматора, выход которого является выходом блока формирования проекций тока статора.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что управляемый генератор квадратурных напряжений содержит управляемый интегратор, первый и второй квадраторы, сравнивающий усилитель, сумматор, инвертор и управляемый суммирующий интегратор, выход управляемого интегратора, являющийся вторым выходом управляемого генератора квадратурных напряжений, соединен с входом первого квадратора и первым информационным входом управляемого суммирующего интегратора, первый управляющий вход которого объединен с управляющим входом управляемого интегратора и является входом управляемого генератора квадратурных напряжений, выход управляемого суммирующего интегратора соединен с входом инвертора, выход которого, являющийся первым выходом управляемого генератора квадратурных напряжений, соединен с информационным входом управляемого интегратора, входом второго квадратора и вторым информационным входом управляемого суммирующего интегратора, второй управляющий вход которого соединен с выходом сравнивающего усилителя, вход которого подключен к выходу сумматора, один из входов которого соединен с выходом первого квадратора, а другой вход - с выходом второго квадратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6