Устройство для определения параметров трехфазной асинхронной машины

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К ПАТЕНТУ

<>553949

Союз Соеетскик

Социалистических

Республик

L (t

0 (61) Дополнительный к патенту— (22) Заявлено 18.04.69 (21) 1322232, 07 (23) Приоритет — (32) 18.04.68 (31) 5765/68 и 5766/68 (33) Швейцария (43) Опубликовано 05.04,77. Бюллетень М 13 (45) Дата опубликования описания 20.07.77 (51) М.Кл.з Н 02 P 5/50

G 01 R 29/00

Государственный комитет

Совета Министров СССР по делам изобретений н открытий (53) УДК 621.316.718 (088.8) (72) Автор изобретения

Иностранец

Феликс Блашке (Австрия) Иностранная фирма

«Сименс АГ» (ФРГ) (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

ТРЕХФАЗНОЙ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ

Известны устройства 11), предназначенные для определения параметров трехфазной асинхронной машины. Эти устройства содержа г различные датчики, расположенные на валу и внут1ри машины. Например, для измерения магнитного потока в воздушном зазоре маши ны устанавливают датчики Холла, а для измерения скорости ротора с ним соединяют вал тахогенератора. Для измерения вращающего момента используют специальные тензодатчики. Однако такие устройства являются сложными и требуют специальной конструкции асинхронной машины с объектом регулирования.

Известны также устройства (2), предназначенные для определения параметров асинхронной машины. Эти устройства содержат формирователь мгновенного значения э.д.с. фазы статора машины с трансформаторным датчиком тока фазы, подключенным через

RL-делитель и масштабные усилители к сумматору, к которому через другие масштабные усилители подключен трансформаторный дат чик напряжения фазы, интегратор и формирователь величины потока, вход которого через интегратор подключен к выходу упомянутого сумматора.

Недостаток этих устройств состоит в том, что формируются средние за период частоты питания машины параметры, которые непригодны для систем регулирования с высокими динамическими свойствами.

Цель изобретения — определение мгновенных значений величины потока машины

5 как для установившихся, так и для переходных режимов работы, необходимых для систем регулирования с высокими динамическими свойствами.

Эта цель достигается тем, что в устройство ш введен по юрайней мере еще один формирователь мгновенного значения э.д.с. фазы статора с интегратором, выход которого подключен к формирователю величины потока, содержащему первый вычислитель квадрата амплитуды и подключенный к нему блок извлечения квадратного корня. Кроме того, с целью повышения точности определения потока, в нем каждый интегратор содержит интегрирующий решающий усилитель, в ко20 тором применен контур отрицательной обратной связи с пропорционально-интегральным усилителем.

Для определения мгновенного значения электромагнитного момента машины и частоты токов ротора в устройство введены по крайней мере два формирователя мгновенных значений потокосцеплений фаз ротора, пер. вый вычислитель векторного произведения, второй вычислитель квадрата амплитуды блок деления, входы делителя и делимого

553949

l5

50 к5

60 б5 которого подключены к выходам упомянутых формирователей потокосцепления фаз ротора соответственно через второй вычислитель квадрата амплитуды и первый вычислитель векторного произведения, который также как и формирователи потокосцеплений фаз ротора, соединен с формирователями мгновенных значений э. д. с. фаз статора, при этом формирователь потокосцепления фазы ротора содержит два масштабных усилителя и сумматор, а вычислитель векторного произведения содержит два блока умножения и сумматор.

Для получения линеаризованного мгновенного значения момента машины в устройство введен блок умножения, входы сомножителей которого подключены к выходу первого вычислителя квадрата амплитуды и к выходу блока деления. Для определения мгновенного значения угловой скорости ротора машины в устройство введены по крайней мере два формирователя мгновенных значений э. д. с. фаз ротора, второй вычислитель векторного произведения с масштабным усилителем, блок деления, сумматор и операционный усилитель. через который первый вычислитель векторного произведения подключен к одному входу упомянутого введенного сумматора, другой вход которого через введенный масштабный усилитель соединен с выходом второго вычислителя векторного произведения, одна пара входов которого подключена к формирователям потокосцеплений фаз ротора, а другая пара входов подключена через формирователи мгновенных значений э. д. с. фаз ротора к формирователям мгновенных значений э.д.с. фаз статора машины, причем выход введенного сумматора соединен со входом делимого дополнительного блока деления, вход делителя которого подключен к выходу второго вычислителя квадрата амплитуды, при этом каждый формирователь э. д. с. фазы ротора содержит два масштабных усилителя и сумматор. С целью определения мгновенного значения величины э. д. с. фазы статора машины, в него введены третий вычислитель квадрата амплитуды и второй блок извлечения квадратного корня, вход которого соединен через упомянутый третий вычислитель с выходами формирователей э. д. с. фаз статора.

На фиг. 1 показана структурная схема устройства для получения следующих параметров асинхронной машины: фазных токов и их производных, фазных э. д. с., фазных магнитных потоков и квадрата величины вектора потока; на фиг. 2 и фиг. 3 — структурные схемы устройств для формирования величины вектора потока по его фазным составляющим; на фиг. 4 — структурная схем; устройства для формирования текущего зна чения вращающего момента и частоты токов ротора асинхронной машины; на фиг. 5 —графики изменения вращающего момента М и линеаризованного М в зависимости от частоты токов ротора; на фиг. 6 — структурная схема устройства для получения скорости ротора; на фиг. 7 — принципиальная схема устройства для формирования квадрата величины вектора потока; на фиг. 8 — структурная схема устройства для получения квадрата величины вектора потока в случае представления его трехфазной системой, составляющих; на фиг. 9 — структурная схема устройства для формирования величины вращающего момента для случая использования трехфазных составляющих векторов тока статора и потокосцепления ротора; на фиг. 10 —. структурная схема устройства для формирования величины э, д. с. асинхронной машины.

Устройство (фиг. 1) содержит сумматор

1, формирователь 2 составляющих потока, вычислитель 8 квадрата амплитуды, измерительные трансформаторы 4, 5 напряжения масштабные усилители б — 9, измерительные трансформаторы 10, 11 тока, резисторы 12. индуктивности 18, масштабные усилители 14—

17, выходные клеммы 18 — 28 формирователя

2, интеграторы 24, 25, выходные клеммы 26.

27 формирователя 2 (входные клеммы вычислителя 8 квадрата амплитуды), пропорционально-интегральные усилители 28, 29, сумматоры 80, 81, выходную клемму 82 вычислителя 8.

Вычислители (фиг. 2 и 3) содержат сумматоры 88, 84, блок умножения 85, масштабный усилитель 86, функциональный генератор

87, блок 88 извлечения квадратного корня.

Устройство для формирования значения вращающего момента и частоты токов ротора (фиг. 4) содержит масштабные усилители

89 — 42, сумматоры 48, 44, входные клеммы

45, 46 вычислителя 47 векторного произведения, блоки умножения 48, 49, входные клеммы 50, 51 вычислителя 47, выходная клемма

52 вычислителя 47, блок деления 58, блок умножения 54, масштабный усилитель 55.

Устройство для получения скорости ротора (фиг. 6) содержит сумматор 56, блок деления 57, масштабный усилитель 58, масштабные усилители 59 — 62.

Устройство для формирования квадрата величины вектора потока (фиг. 7) содержит усилитель 68 постоянного тока со входами

64 и 65.

Устройство для получения квадрата величины вектора потока для случая, когда на входе вычислителя имеется трехфазная сНстема сигналов — составляющих вектора (фиг. 8) содержит вычислитель квадр ата амплитуды бб, сумматора 67 — 69; масштабные усилители 70 и 71; блока 72, 78 возведения в квадрат или функциональные генераторы, аналогичные генератору 87 (фиг. 3); сумматор 74; выходную клемму 75 вычислителя 6,6.

Устройство для формирования величины вращающего момента для случая использования трехфазных составляющих векторов тока статора и потокосцепления ротора (фиг. 9) содержит вычислитель 76 векторного произведения; масштабный усилитель 77;

553949 Ф (2- = Ф - + Ф - д+ @s@R.

10 ,На выходе блока 88 (фиг. 3) имеется требуемое текущее .значение величины магнитного потока (Ф), которое может быть использовано в качестве сигнала обратной связи в контуре регулирования потока.

1Я (1 2о

1 где L.2 — индуктивность намагнивания, 25 L2.- — индуктивность рассеяния роторной цепи.

Выходы фазных токов 18 и 20 блока 2 подключены через масштабные усилители 89 и 42 с коэффициентами передачи L2. .к сум маторам 48, 44, к другим входам которых подключены выходы усилителей 40 и 41.

На выходах сумматоров 48 и 44 формируются фазные составляющие cp2R è р2з вектора потокосцепления ротора, которые поступают на второй вычислитель квадрата ампли туды 8 и на одну пару входов 45 и 45 вычислителя векторного произведения 47. Другая пара входов 50 и 51 этого вычислителя под40 соединена к выходам фазных токов 18 и 20 блока 2.

Вычислитель 47 определяет векторное произведение двух векторов, представленных в виде фазных составляющих, и в данном слу45 чае вычисляется момент машины по формуле:

dip 1Ф е =

dt и е = (клеммы 22 и 28). Эти сигналы интегрируются с помощью интеграторов 24 и 25, на выходах 2б и 27 которых формируются фазные составляющие ÔR и Фв вектора потока машины.

24 и 25

С целью исключения дрейфа интегратора ной о и 25 каждый из них охвачен отрицате льи обратнои связью, в контуре которой используется пропорционально — интегральный усилитель 28 или 29 соответственно.

Л4 =!(2 iZ — 2,i@., И—

R. i (u> L°,. R22) -

55 где Т вЂ” время интегрирования;

Т„ — постоянная времени блоков 28 и .29; — коэффициент пропорционального усиления блоков 28 и 29, который выбирается возможно малым.

65 сумматор 78; блок умножения 79; сумматор

80; масштабный усилитель 81; сумм торы 82 и 88; блок умножения 84; сумматор 85; выходную клемму 8б вычислителя 76.

Структурная схема вычислителя величины э. д. с. статора (фиг. 10) содержит вычислитель квадрата амплитуды, аналогичный вычислителю 8 (фиг. 2) и состоящий из блоков умножения 87 — 89 и сумматора 90, а также блок извлечения квадратного корня 91 с выходной клеммой 92.

Рассмотрим, каким образом формируются параметры асинхронной машины, справедливые как для установившихся, так и для переходных режимов работы.

С помощью трансформаторов 4 и 5 изменяются линейные напряжения, питающие асинхронную машину, фазные обмотки которой соединены звездой.

С помощью масштабных усилителей б — 9 по известным формулам преобразования на пряжения на выходных обмотках трансформаторов 4 и 5 преобразуются в фазные напряжения UR и U>. С помощью измерительных трансформаторов тока 10 и 11, нагруженных на цепи из последовательно включенных резисторов 12 и индуктивностей 18, формируются сигналы, пропорциональные токам фаз машины и их п(роизводным. Эти сигналы поступают на масштабные усилители 14 — 17 с коэффициентами передачи, пропорциональными величинам активного сопротивления Л и индуктивности рассеяния L 6 первичной цепи машины.

На выходах усилителей 14 — 17 формируются спгналы, пропорциональные падениям напряжений на указанных фазных сопротивлениях первичной цепи машины.

На выходах сумматоров 1 и 80 формируются сигналы, пропорциональные фазным э. д. с.

П ри этом должно выполняться условие:

2Т Т„<, С помощью вычислителя 3 квадрата амплитуды определяется квадрат величины вектора магнитного потока машины Ф -. Блок 8 обеспечивает определение величины /Ф/ на основе решения уравнения, связывающего квадрат величины вектора с его двумя составляющими в косоугольных координатах:

На фиг. 4 масштабные усилители 40, 4! имеют коэффициент передачи

В соответствии с этим блок 47 содержиг два блока умножения 48, 49 и сумматор с выходом 52 для вращающего момента М: где R2 — активное сопротивление фазы ротора.

60 Известно соотношение между квадратами величин векторов главного потока Ф и потока сцепления ротора ф2.

553949

С учетом этого имеем:

JL1

R> ,у

10

15 — JMR

При этом выражение для М получено исходя из того, что линейная функция М от

03 является касательной к графику момента

М (см. фиг. 5), проходящей через начало координат.

В соответствии с приведенным выражением для в, в устройстве на фиг. 4 имеется блок давления 58, формирующий частнос

М которое преобразуется с помощью 2, масштабного усилителя 55 с коэффициентом передачи Rz в текущую частоту о .

В соответствии с выражением для линеаризованного момента М на фиг. 4 имеется блок умножения 54, на выходе которого формируется текущее значение момента М .

На фиг. 6, помимо комплекта масштабных усилителей 89 — 42, с помощью которого формировались составляющие вектора потокосцепления ротора, введен еще один такой же комплекс масштабных усилителей для фо рdyl2p мирования составляющих э.д.с. ротора

dt Ц 2.) и — — . При этом введенные усилители подключены к клеммам 19, 21 — 28 блока 2.

Устройство (фиг. 6) построено в соответствии с выражением для величины к:

1 1 3) 3 (d1q dye р 1

>, ))>2Р— »25 ) — фР 2 (- dt dt

Для определения величины в круглых скобках этого выражения введен второй вычислитель векторного произведения 47 векторов потокосцепления и э. д. с. ротора, выход которого подключен к сумматору бб через масштабный усилитель 55 с коэффициентом

3 1 3 передачи

Произведение М Rz получается на выходе масштабного усилителя 58 с коэффициентом передачи Rq, вход которого подключен к выходу первого вычислителя векторного произведения 47, служащего для формирования величины М.

На выходе сумматора 5б формируется величина в соответствии с выражением в квадратных скобках формулы для и и используется в качестве делимого в блоке 57. В качестве делителя этого блока используется выходной сигнал с блока 8 (второй вычисли20

Зо

65 тель квадрата амплитуды), о котором уже говорилось при рассмотрении фиг. 4. На выходе блока деления 57 формируется текущее значение скорости ротора а.

В основу схемы фиг. 7 положен усилитель постоянного тока б8 с дифференциальными входами, на базе которого осуществляются операции масштабирования и сумм ирования сигналов в соответствии с величинами резисторов в его входных цепях.

Вычислитель (фиг. 8) определяет квадрат амплитуды вектора в соответствии с формулой:

1Ф - = ф -р+ "Ъз+ф" y — флфз — фрфт — фзФт.

Масштабные усилители 77 и 81 имеют коэффициенты передачи, равные двум, а коэффициенты передачи всех сумматоров блока

7б по любому из входов одинаковы.

На вход вычислителя (фиг. 10) поступают фазные составляющие Е„и Ея вектора э.д.с., получаемые с клемм 22 и 28 блока 2 (фиг. 11.

Сигнал, пропорциональный э. д. с. машины, выделяют для того, чтобы формировать сигЕ нал, пропорциональный величине пото0), ка Ф, и использовать этот сигнал в контуре регулирования потока.

Устройство согласно изобретению целесообразно применять в случаях, когда требуются текущие параметры асинхронной машины, необходимые для высокодинамичных систем регулирования, и когда размещение измерительных датчиков внутри и на валу асинхронной машины невозможно.

Формула изобретения

1. Устройство для определения парамет ров трехфазной асинхронной машины, содержащее формирователь мгновенного значения э. д. с. фазы статора машины с трансформаторным датчиком тока фазы, подключенным через RL-делитель и масштабные усилители к сумматору, к которому через другие масштабные усилители подключен трансформа торный датчик напряжения фазы, интегратор и формирователь величины потока, вход которого через интегратор подключен к выходу упомянутого сумматора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью определения мгновенного значения величины потока машины, введен по крайней мере еще один формирователь мгновенного значения э. д. с, фазы статора с интегратором, выход которого подключен к формирователю величины потока, содержащему первый вычислитель квадрата амплитуды и подключенный к нему блок извлечения квадратного корня.

2. Устройство по п. 1, о тл и ч а ю ще ес я тем, что, с целью повышения точности определения потока, в нем каждый интегратор содержит интегрирующий решающий усили тель, в котором применен контур отрицатель553949 ной обратной связи с пропорционально-интегральным усилителем.

3. Устройство по пп. 1, 2, о т л и ч а ющ ее с я тем, что, с целью определения мгновенного значения электромагнитного момента машины и частоты токов ротора, в него введены по крайней мере два формирователя мгновенных значений потокосцепления фаз ротора, первый вычислитель векторного произведения, второй вычислитель квадрата амплитуды и блок деления, входы делителя и делимого которого подключены к выходам упомянутых формирователей потокосцепления фаз ротора соответственно через второй вы. числитель квадрата амплитуды и первый вычислитель векторного произведения, который также, как и формирователи потокосцеплений фаз мотора, соединен с формирователями мгновенных значений э. д. с. фаз статора, при этом формирователь потокосцепления фазы ротора содержит два масштабных усилителя и сумматор, а вычислитель векторного произведения содержит два блока умноже ния и сумматор.

4. Устройство по пп, 1 — 3, отл и ч а ющ е е с я тем, что, с целью получения линеа ризованного мгновенного значения момента машины, в него введен блок умножения, вхо ды сомножителей которого подключены к выходу первого вычислителя квадрата амплитуды и к выходу блока деления.

5, Устройство по пп. 1 — 4, отл и ч а ющ е е с я тем, что, с целью определения мгновенного значения угловой скорости ротора машины, в него введены по крайней мере два формирователя мгновенных значений э. д. с. фаз ротора, второй вычислитель векторного произведения с масштабным усилителем, блок деления, сумматор и операционный усилитель, через который первый вычислитель векторного произведения подключен к одному входу упомянутого введенного сумматора, другой

6 вход которого через введенный масштабный усилитель соединен с выходом второго вычис. лителя векторного произведения, одна пара входов которого подключена к формирователям потокосцеплений фаз ротора, а другая

10 пара входов подключена через формирователи мгновенных значений э. д. с. фаз ротора к формирователям мгновенных значений э. д. с. фаз статора машины, причем выход введенного сумматора соединен со входом делимого дополнительного блока деления, вход дели. теля которого подключен к выходу второ о вычислителя квадрата амплитуды, при этом каждый формирователь э. д. с. фазы ротора содержит два масштабных усилителя и сумматор.

6. Устройство по пп. 1 — 5, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью определения мгновенного значения величины э. д. с. фазы статора машины, в него введены третий вычислитель квадрата амплитуды и второй блок извлечения квадратного корня, вход которого соединен через упомянутый третий вычислитель с выходами формирователей э. д. с, фаз статора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Сандлер А. С., Сарбатов P. С. «Частотное управление асинхронными двигателями». изд-во «Энергия», 1966 r.

2. Looke G., Probleme der Spannungsanpassung beim Betrieb von Asynchronmotoren mit

variabler Frequenz. AEG Mitt., 1964 г., 54,М 1.