Устройство для моделирования вентильного электродвигателя

.К. Лозенко,Хоцянова ис ок причем значен ий то коммутации вкл инверграних зве ипа зывающирвый и ор оСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРИТИЙ(71) Московский энергетический институт(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 элек тромагнитного 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 вх дам суммирующих усилителеи первого и второго блоков моделирования электромагнитных процессов первого и второго контуров соответственно, вторые входы которых соединены с выходами первого 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 соецинен с третьим входом суюирующего усилителя и с вторым входом соответствующего блока формирования эле-сф ктромагнитного, момента, выходы первого и второго блоков формирования электромагнитного момента подключены к первому и второму входам интегросум" матора, третий вход которого подключен к выходу блока задания момента нагрузки, выход интегросумматора подключен к вторым входам первого и фф второго блоков формирования ЭДС вра- фь щения и входу блока формирования Я угла поворота ротора, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью по-вышения точности за счет учета коммутационных процессов, в него введены блок формирования начальных значений токов на границе тактов коммутации, блок вьгеления модуля, ключевые элементы и элементы с одностороннеи проводиостью,формирования начальных ков на границе тактов ча.ет два апериодически тор, блок нелинейности чение" реле, два развяда, элемент ИЛИ-НЕ, пе1425732 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 соединенный четвертый ключевой элемент и четвертый элемент с односторонней проводимостью 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 кГшестому входу суммирующего усилителя второго блока моделирования электромагнитных процессов. Изобретение относится к аналоговой выччслительной технике и предназначено 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 коммутационных процессов.На фиг. 1 представлена структурна.я схема устройства для моделирования ВД на фиг. 2 - функциональная схема. входы которого через замыкающие контакты первого и второго реле соединены с шиной логической единицы,выход элемента ИЛИ-НЕ подключен к обмотке третьего реле, выход блока,нелинейности типа "ограничение" черезпервый развязывающий диод подключен кобмотке первого реле, обмотка второго реле через второй развязывающий диодсоединена с выходом блока нелинейности типа "ограничение", выход которогоподключен к выходу блока Формирования угла поворота ротора, выход первого апериодического звена соединенс входом инвертора, выхоц которогочерез первый замыкающий контакт третьего реле подключен к входу установкиначальных условий интегратора первого блока моделирования электромагнит ных процессов вход второго апериодического звена. через второй замыкающий контакт третьего реле соединенс входом установки начальных условийинтегратора второго блока моделирования,электромагнитных процессов ис первым входом первого апериодического звена, второй вход которогои вход второго апериодического венаподключены к выходу интегратора пер: вого блока моделирования электромагнитных процессов,к четвертому входу суммирующего усилителя второго блокамоделирования электромагнитных процессов и через последовательно соединенные первый элемент с односторон,ней проводимостью и первьгй ключевойэлемент подключен к четвертому входу устройства; на Фиг. 3 - диаграммы напряжений в узлах Функциональной схемы, на Фиг. 4 - диаграммы напряжений на выходе блоков моделирования электромагнитных процессов первого и второго контуров при работе ВД в двигательном режиме: а) при О, с.оСи 5) при Ск ) ММ, где к - коммутационный интервал, мк - межкоммутационныи интервал).Устройство для моделирования ВД содержит двухполярный источник 1 напряжения, два мультиплексора 2 и 3, 3 14257блоки 4 и 5 моделирования электромагнитных процессов первого и второгоконтуров, выполненные в виде последовательно соединенных суммирующего уси-лителя 6(7) и интегратора 8(9) каж 5ный, два блока 10 и 11 Формированияэлектромагнитного моментадва блока12 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 формированияугла поворота ротора, входы 19-24 суммирующих усилителей 6 и 7, блок 25 , 1 бФормирования начальньх значений токовна границе тактов коммутации, блок26 выделения модуля, элементы 27-30с односторонней проводимостью, входы 31-34 суммирующих усилителей, входы 35 и 36 установки начальных условий интеграторов 8 и 9, входы 37 и38 суммирующих усилителей и ключевые. элементы 39-42.Блоки 14 и 15 распределения магнитной индукции реализованы на блокахнелинейности и имеют выходные характеристики ГК, (дС) =, соз(Ю + - 72Р (сС) = сов(1 С )2 шНа них воспроизводится в данном конкретном случае синусоидальное распреде"ление индукции в воздушном зазоре,Блок 17 задания момента нагрузкивыполнен с выходной характеристикой)яа источнике постоянного напряжения.Блоки 12 и 13 формирования ЭДСвращения и блоки 10 и 1 Формирования электромагнитного момента реализованы на блоках умножения двух переменных, Блок 26 выделения модуляпостроен 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 ивключает усилитель 48,конденсатор 49,резистор 50,контакт 51 и реле 52,Во избежание дублирования по функциональному назначению блоков для по.лучения модуля сигнала 1 дЦ , посту-пающего на управляющий вход 53 схемы 54 сравнения, используется блок26 выделения модуля. На второй входсхемы 54 сравнения подается опорноенапряжение 11, пропорциональное угловой длительности межкоммутационноН 5)+.Г(К) . О, + в,) + дг,ж)ц,Д) О)-дЛ+ О 5 5 Ы(д) + 5. Рр (д 5.) Символы с индексами 1 и 2 относятся соответственно к первому отключенному и второму подключенному независимым контурам; , П - относительные значения токов и напряжения питания,Т ьдО 1 ,сд, ьдО - беэразмериое время, относительная и идеальная частоты вращения, 4 = Ьи,В,Ь =" 1 и 3, /И- относительные электромагнит-. ная й электромеханическая постоянные 324го интервала Мщ , 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, включающ.й 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 вклю. чает 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-НЕ 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 видток всоотвстствующей ветви протекающий в конце И-го такта коммутации.При исследовании режимов, длительность коммутационного интервала Ы времени соответственно; Ь, - эквивалентная индуктивность секций ОЯ, учитывающая собственную индуктивность и взаимоиндуктивность ОЯ; Б - активное5 сопротивление секций, 1 - момент инерции, приведенныи к валу двигателя; М - максимальный пусковой момент; , В - нелинейное сопротивление ,идеального диода моста обратного то Ока, Р), Р(:6) - относительное значение магнитного потока, пронизываю щего коммутируемые секции ОЯ ВД, рч -относительное значение момента нагрузки, ц - угол поворота ротора. 1 бСистема дифференциальных уравне,ний(1)-(3) позволяет .точно учесть не только пульсации магнитного поля ,в воздушном зазоре, но,и влияние коммутационных процессов на :татические и динамические характеристики в широ,ком классе режимов.Интеграторы 8 и 9 блоков 4 и 5 моделированкя электромагнитных процессов контуров выполнены с выходной характеристикой1 Г1.1 =;- 1 Цщ Й 7 1.1оБлоки 4 и 5 моделирования электро,магнитных процессов первого и второ- ЗО ,го контуров построены согласно дифференциальным уравнениям (1) и (2)и ,воспроизводят электромагнитные процессы в независимых контурах. Напри- мер, при исследовании двигательного режима или режима противовключения в них моделируются нарастающий и спадающий токиБлок 25 формирования начальных значений токов на границе тактов комМутации фиксирует и задает интегрирующим усилителям 82 блоков 4 и 5 моделирования электромагнитных процессов контуров граненые значения Токов на концах рассматриваемых участков угла поворота ротора. Примоделировании двигательного режима или поотивовключения в начало (И+1)-гоМК-интервала "ф"контурные токи равв которых не превышает межкоммутационный О,к, поскольку 3. (щ ) начальные условия вычисляются в виде"," (,) = О.На блоках 1 О и 11 формирования электромагнитного момента и интегросумматоре 16 воспроизводится решение уравнения движения электропривода (3), Безразмерная величина мгновенного момента ф ВД определяется при этом вы- ражением/ы - 1 Р + 1 Р (,).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 ВД.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 39- 52 и элементов 27-30 моделируются не" зависимые 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: -я секция ОЯ - )-я секция ОЯ - открытый ключ ПЧ - диод - х-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 ц и У дифференциальныхуравнений (1) и (2)Значения свободных членов У и У и коэффициентов Я( ) и Н являются функциями режимов работы и могут, например, принимать значения указанные в таблице, Равенство сопротивления В,(х) нулю в таблице,при квазиустановившемся режиме работыВД для случаев, когда к (о и)с, представлены на фиг. 4 а,б. 50 которые затем поступают на блоки формирования ЭДС вращения 12 и 13 и электромагнитного момента 10 и 1 совместно с сигналами бд и . С формируют линейные ЭДС вращения е, йР(4-) и говорит об отсутствии диода в контуре, а равенство бесконечности -об отсутствии тока в соответствующем контуре. Принятые в таблице сокращения режимов работы: ДТ - динамическое торможение, ДВ - двигательный,О - отключения, НВ - противовключения. Рассмотрим работу устройства для моделирования ВД на конкретном примере (фиг. 2), например, при исследовании двигательного режима.Согласно таблице необходимо предварительно установить следующие значения 1 О; 3 = + 1 в, =Н(х,) - прямое включение, Бч( ) 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 х, который, поступая на блок 1 формирования электромагнитного момента, создает вращающий момент двигателя и Г (а) ток х при этом отсутст)вует. Вращающий момент, суммируясь с моментом нагрузки на интегросумматоре 6, преобразуется в скорость двигателяи 3, которая, действуя на блок 18 формиравания угла поворота ротора, превращается в угол поворота ротора с, квантованный на отрезкиа(ик= Ваш, равные межкоммутационному интервалу. На выходе блока 18 получается пилообразный сигнал оС, (фиг. 3), который, поступая на блоки 14 и 15 формирования распределения магнитной индукции, создает на их выходе функции распределения магнитной индукции. Г, (С) = сов (1 С + -); Р(аб) = соз (1 С 1 - ),электромагнитные моменты контуров У = фР . Как толькоиу О и сСО, сигналы е, е начинают участвовать в формировании токовВ конце каждого МК-интервала ик на выходе элементе ИЛИ-НЕ 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 79обмотки 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 36ввода начальных условий интеграторов8 и 9 начальных значений токов .1(ф 4 )и хе.(со) согласно выражениямдля 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 хспадает со значения , если до конца (Б + 1) - го МК-интервала он успевает спасть до нуля, при смене его знака размыкается ключевой элемент 39 и ток обратной полярности,как и в реальном ВД, протекать неможет. Для моделирования режима динамического торможения необходимо установить следующие значения: П, в в 13 = О, В(, ) и В - обратное включение. Для этогозамыкаются ключевые элементы 40 и 42, На вход 21 блока 4 моделирования электромагнит9 1425732 1 О ных процессов первого контура подает- Аналогичным, образом могут быть ся напряжение 13 = 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 динами 5 при этом аналогичным образом. ческого торможения к двигательному и наоборот,ОБ -ц др.ц +ц ов,АМИ Я.".ьЩ 4 Составитель И, ДубининаРедактор П, Гереьпи Техред Л.Олийнык Корректор М. Васильев аказ 4774 5 Производственно нолиь рафиьеское предььриятие р ь е УИГородул е Проектная р 4 ф ф Тираж 7 О 4 ВНИИПИ Государственного к по делам изобретений и О 5 9 ь скваРЗ 5 9