Устройство для моделирования электромагнитных процессов в асинхронных машинах

СОЮЗ СОВЕТСНИСООИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИН ЯО 1594569(57) Изобретение от лительной технике,ится к вычи н частност ированию электрич изобретения в . расвозможностей еских систем ширение функцио за счет моделинальных рования вольной синхронных м моткой стат шин с произра. Это досстройство третьии вращения роя коммутаторамиф-лы, 8 ил,н Л.С. инхрон тигается введение его коммутатора и тора и блока упра вращения ротора. за а сердечни- Армянской ен хни Изобретение от вой вычислительнои и ти моделирования электри или устройств.Цель изобретения - ра циональных возможностей к аналогое, в частносеских систем ширение функа счет моГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГННТ СССР(56) Авторское свидетельство ССС1125633, кл. С 06 С 7/62, 1982Фрнджибашян Э.С., ПарваняСтруктурное моделирование асных машин с учетом насыщения иимного перемещения зубчатыхков. Известия Академии НаукССР, ХХХЧ 11, 1984,3, Сер. теческих наук, с. 16-21, рис, 1. делирования 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,З - третья резистивная сетка, образующая сеточную модель магнитной цепи ротора и блока моделирования обмотки ротора; на фиг.4 - принципиальная схема блока моделирования обмотки статора; 54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В АСИНРОННЫХ МАШИНАХ на Аиг 5 схема блока решения уравне ний электромеханического равновесия машины; на фиг.б - схема блока управ ления коммутатора имитации вращения ротора; на фиг,7 схема коммутатора имитации вращения ротора; на фиг,8 - составляющие угла поворота ротора.Устройство содержит резистивные сетки 1 - 3, воспроизводящие магнитное йоле машины в участках магнитной цепи, ограниченных внешним контуром сердечника статора, окружностью, проходящей через средние точки граничных линий, отделяющих занятые током и свободные от токов участки пазов, а также кривой вдоль расточки статора, блок моделирования обмотки ротора 4, блок модегирования обмотки статора 5, первый 6, второй 7 и тре594569 Состаивтель В.Геча Редактор О. Голов ач Техред Л. Олийнык Корректор Л. Паликаз 28 Тираж 5 1 однисно В П ьский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 водственно-из осударственного комитета 113035, Москва, о изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР35, Раушская наб., д. 4/5тий 8 коммутаторы имитации вращенияротора, включающие обратимые электронные ключи 9, блок 10 решения уравнений электромеханического равновесия5машины 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 моделируются магнитные проводимости шлицевых участков пазов статора и ротора,а с помощью резисторов 13 - магнитныепроводимости участков воздушного зазора в интервале 1/6 зубцового делениястатора, а также пазов без учета шлицев, нелинейных резисторов 14, моделирующих магнитные проводимости участ-щков ярем, зубцов сердечников статораи ротора, центральные узлы 15-23 резистивной сетки 3, конденсаторы 24и 25, моделирующие активные сопротивления соответственно стержней и участ ков короткозамыкающих колец междустержнями, резисторы 26, воспроизводящие индуктивности лобового рассеяния указанных участков короткоэамыкающих колец, 30С центральными узлами 27-38 первой резистивной сетки соединенблок 5 (фиг.4), включающий группуидентичных трансформаторов 39. Первичные обмотки 40 трансформаторовсоединены между собой по схеме соединения секций обмотки статора и подключены к выходным узлам электрических мостов 41, Одни из входных узловэлектрических мостов 41 через конденсаторы 42 подключены к внешним клеммам А,В,С модели обмотки статора, адругие входные узлы через цепочки из последовательно включенных резисторов 43 и44 соединены с клеммами Х,У,Е, причем 45резисторы 43 и 44 моделируют индуктивности лобового рассеяния, а конденсаторы 42 - активные сопротивленияфаз обмотки статора. Напряжения и. токи модели обмотки статора, соответствующие потокосцеплениям и токамфаз, измеряются на выходах повторителей 45 и 46, Вторичные обмотки 47трансформаторов 39 через электронныемосты 48 подключаются к узлам 27-38 резистивной сетки 1. В плечи злект рических мостов 41 и 48 введены об ратимые электронные ключи 49,управляемые синфазно впротиволежаших 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 56- 58 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 один1нз 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 посредством соединенной с источником -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 подключенк базе транзистора 85, соединенного по схеме с общим эмиттером. Импульсы на коллекторе транзистора 85, соединенном через резистор 86 с источником питания +Е, подаются на С-вход триггера 87, единичный выход которого соединен с Л-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 К-входы триггеров 87, 88 и 92, инвертирующие Я-входы остальных триггеров подается единичное напряжение с выхода фильтра низких частот (образованного резистором 95 и конденсатором 96), вход которого соединен с источником +Е 2 Инвертирующие Я-входы триггеров 87, 88, 92 и инвертирующие К-входы остальных триггеров подключены через резистор 97 к источнику питания +Е и через кнопочный выключа 2тель с замыкающим контактом 98 - к шине нулевого потенциала. Единичные выходы групп триггеров 88-91, 92- 94 и единичный и нулевые выходы ".триггера 87 подключены соответственно к управляющим входам 99-102, 103- 105 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 08-119 и 120-131, а между резистивными сетками 2 и 3 - посредством коммутатора 8 через клеммы 132-191 и 192-263,Устройство также содержит резисторы 264-275 (фиг.5) и блок моделирования трехфазной сети 276 (фиг.1).Коммутаторы 6 и 7 состоят соответственно из четырех и трех групп параллельно управляемых ключей 9, число которых в каждой группе равно числу Е зубцов статора моделируемой машины, причем для рассматриваемого случая при Е =-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 зубцов статора Е , Путем из возможных вариан 1тов разложения числа зубцов статора Ена множители выбирается тот, который обеспечивает наименьшую сумму510 множителей. Для принятого числа зубцов статора Е =12 можно указать два "1примерно разноценных варианта разложения на множители 2;2;3 и 4:3, так как и в том, и в другом варианте сумма множителей 2 + 2 + 3 = 4 + 3 = 7.В случае Е =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 включаютсяв гррвый каскад, а две во второйкаскад.Принятая схема соединения коммутатора имитации вращения роторамежду собой и с моделью магнитной 2 О цепи позволяет существенно уменьшить требуемое количество электронных ключей. Количество узлов резистивной сетки вдоль расточки статора равно 5 Е (фиг.3). При имита 25 ции полного оборота ротора с шагомдискретизации вращения, равным половине зубцового деления статора,необходимо с помощью коммутатора фиксировать 2 Е взаимных положений 30 сеточных моделей магнитных цепей .статора и ротора, Это требует приизвестном способе имитации вращения5 Е, 2 Е, = 10 Е, электронных ключей (прийЕ = 24, 10 Е 1 = 5760)Принятый подход к имитации вращения ротора при Е, = 24 требует только лишь 5 Е, 2 + 4 Е + 22 + ЗЕ(9 Е, = 456 электронных ключей.Значение К = 3 (К - числе групп 4 О электронных ключей в коммутаторе 7,фиг,8) в выражениях для составляющих углов поворота ротора, имитируемых коммутаторами 6 и 7, соответствует Е 2, В луча Е 24 4 К = К, К = 2/3 = 6, где К, и К-числа групп электронных ключей соответственно в первом и втором каскадах коммутатора 7. Причем блок управления имитатора вращения ротора при Е, = 24 должен включать три кольцевых счетчика, вырабатывающих импульсы соответственно для коммутатора 6, первого и второго каскадов коммутатора 7. Управляющие С-входы триггеров55 третьего кольцевого счетчика должныбыть соединены с единичным выходом триггера 92 второго кольцевого счетчика, т.е. третий кольцевой счетчик должен быть соединен с вторым коль 159456950 цевым счетчиком так, как второй кольцевой счетчик соединен с,первым, по- этому число идентично соединенных между собой кольцевых счетчиков в схе 5 ме блока управления коммутаторами вращения ротора должно быть на единицу больше числа каскадов коммутатораВ моделирующем устройстве решается следующая система дифференциальных уравнений электромеханического равновесия машины, представленная в координатных осях А,В,С фаз в следующем виде:(и = 1,2Ч)1ф"=5 ш, - ш)1 г, (3) где Б, П, Цс, 251 1, 1 с - напряжения и токифаз обмотки статора;Г91, У, Мс - потокосцепления фазобмотки статора безучета, лобового рассеяния;19 - потокосцепление иго (п=-,12,ФФ 99)контура короткозамк,35нутой обмотки ротора, образованногодвумя соседнимистержнями и замыкающими их участками .короткозамыкаюшихколец, без учета лобового рассеянияфиг.З);Ь - активное сопротивление и индуктивностьлобового рассеянияфазной обмотки стао .В .итора;токи стержней исв 1 сиаф кучастков колеци-го контура обмотки ротора;М - число контуров ротора;55г - активное сопротивлеСвние стержня;г , Ь- активное сопротивление и индуктивность участка короткозамыкающего кольца между соседними стержнями обмотки ротора; электромагнитный момент1.: Р,(ъ),1 д с в )1 (4) ш - тормозящий момент на валутдвигателя;1 - 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 61 устанавливаются начальные значения напряжений, а триггеры 87-94 переходят в начальные состояния,В режиме "Пуск 1, реализуемом при нажатии клавиши пПуск, с выходов модели трехфазной сети соответствующиеПдс 1 г, Бдг, П с 1 Т поступа- ют на Йход 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/статора1 без учета лобового рассеяния, на конденсаторе 42 и резисторах 43 и 44 - напряжения, соответствующие потокосцеплению лобового рассеяния Ь х 11 с 1 и интегралу падения напРЯжениЯ г 1 1 сЙГ 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 1, . и дс обмотки статора поступают на вход блока 10 решения урав" нений электромеханического равнове5945 ся в единично.е состояние, а оСталь" .ные группы - в нулевое состояние, Врежиме "Пуск" с выхода усилителя 65через делитель, образованный резисторами 83 и 84, через усилитель натранзисторе 85 на С-вход триггера87 поступают импульсы, каждый из которых приводит к переключению состояния триггера. При этом передние фронты импульсов, формируемых на единичном выходе триггера 87 приводят кциркуляции "1" по замкнутой электрической цепи кольцевого счетчика,образованного триггерами 88-91, Аналогично передние фронты импульсов,генерируемых на единичном выходетриггера 88, приводят к сдвигу "1"по замкнутому контуру кольцевого счетчика, образованного триггерами 92-94.Сигналы с единичных выходов триггеров 87-94 приводят к согласованномувключению групп электронных ключейкоммутаторов 6-8, в результате чегоимитируется вращение ротора с шагомдискретизации, равным половине зубцового деления статора (фиг,8). Приэтом посредством коммутаторов 8, 6и 7 имитируются составляющие угла поГ о лй Е ь: 2 Г1 С-(п,5)ЫР 2,2 Г1(г. - и -- );ь)р 22 Г96сия машины (фиг.4), в результате чего на выходе сумматора 59 формируется согласно (4) напряжение, соответствующее электромагнитному момен-.5ту в . Далее по известному моментунагрузки пг 7.и найденному электромагнитному моменту посредством интегратора 60 решается уравнение движения ротора (3), в результате чегона 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, охваченныйположительной обратной связью черезрезисторы 66 и 67, образует порого-.вый детектор, порог срабатывания которого определяется опорным напряжением, поступающим на инвертирующийвход с выхода переменного резистора70,Частота следования импульсов за висит от резистора 67, а также величин напряжения на выходе интегратора 60 питаемого источника +Е.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 реализованэлектронный 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 40возрастающее положительное напряжение. При достижении напряжения на входеусилителя 65 порогового значения пороговый детектор переходит в другоеустойчивое состояние, при котором 45на его выходе устанавливается отрицательное напряжение, запирающее электронный ключ 62. В результатеэтого на вход интегратора 61 поступает только положительное выходное нап ряжение интегратора 60, приводящеев конечном счете к образованию на .выходе интегратора 61 отрицательногонапряжения 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; ворота ротора относительно статора,представляемые следующими выражениями: где (й-) - единичный скачок;м - угловая скорость вращеРния ротора.При этом в модели угловая координата ротора относительно статора (фиг.7) Иу=+ у+= , 1 сй Ка ь 7 ,2,-(и - 0,5) -- + 1(еСдр 7.,О2 Г 1(е - и ),От Юр формулаизобретения 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 вой резистивной сетки подключены к выходу магнитодвижущих сил и потокосцепления блока моделирования обмотки статора, выход измерительных цепей которого соединен с входом блока реше-щ ния уравнений электромеханического равновесия машины, вход блока моделирования обмотки статора подключен к выходу блока моделирования трехфазной цепи, внутренние граничные узлы второй 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 статора, устройство содержит третий коммутатор имитации вращения ротора и блок уп 12 .равления коммутаторами вращения ротора, вход запуска которого срединен с выходом блока решения уравнений электромеханического равновесия машины,. первая, втораяи третья группы выходов блока управления коммутаторами имитации вращения ротора подключеньг соответственно к управляющимвходам первого, второго и .третьегокоммутаторов имитации вращения ротора, выход первого коммутатора имитации вращения ротора соединен с информационным входом третьего коммутатора имитации вращения ротора, выходкоторого подключен к внешним гранич"ным узлам второй реэистивной сеткиблока 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 которого 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 синхровходу второго кольцевого сдвигающего регистра, выход старшего разряда которого соединен с синхровходом первого 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 В-входом триггера, прямой и обратный выходы которого являются третьей группой выходов блока.