Устройство для определения параметров трехфазной асинхронной машины

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК ПАТЕНТУ 11553949 Союз Соеетскик Социалистических Республик(51) М. 69 (21) 1322232,(22) Заявлено 18.0 (23) Приоритет -2) 18 68 (33) Швейцария05.04,77, Бюллетень М 1вания описания 20,07.77 31) 5765/68 и 576 43) Опубликован 45) Дата опублик Государственнын комитетСовета Министров СССРпо делам изобретенийн открытий 621. 316.7(53) 2) Автор изобретен Иностранецеликс Блашке(Австрия) Иностранная фи Сименс АГ) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕН ТРЕХФАЗНОЙ АСИНХРОННОЙ АРАМЕТРОВИНЫ Известны устройства 111, предназначенные для определения параметров трехфазной асинхронной машины. Эти устройства содержат различные датчики, расположенные на валу и внут 1 ри 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 21, 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 И.-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 непри. годны 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 крайней мере еще один формирователь мгновенного значения э.д,с. фазы статора с интегратором, выход которого подключен к формирователю величины потока, со.держащему первый вычислитель квадрата 15 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 ко тором применен контур отрицательной обратной связи с пропорционально-интегральнымусилителем.Для определения мгновенного значенияэлектромагнитного момента машины и часто ты токов ротора в устройство введены покрайней мере два формирователя мгновенных значений потокосцеплений фаз ротора, пер вый вычислитель векторного произведения, второй вычислитель квадрата амплитуды ЗО блок деления, входы делителя и делимого510 1 о 20 25 30 35 40 45 50 кг 60 б 5 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 со. держит 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 векторно.го 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 форглирователям потокосцеплений фаз ротора, а другая пара входов подключена через формировате.ли 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 зна.чения величины э.д.с. фазы статора маши.ны, 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 схемаустройства 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 схема 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 3 квадрата амплитуды, измерительные трансформаторы 4, 5 папряжения масштабные усилители б - 9, измерительные трансформаторы 10, 11 тока, резисторы 12, индуктивности 13, масштабные усилители 14 - 17, выходные клеммы 18 - 23 формирователя 2, интеграторы 24, 25, выходные клеммы 25.27 формирователя 2 (входные клеммы вычислителя 3 квадрата амплитуды), пропорционально-интегральные усилители 28, 29, сумматоры 30, 31, выходную клемму 32 вычислителя 3.Вычислители (фиг, 2 и 3) содержат сумматоры 33, 34, блок умножения 35, масштабный усилитель 3 б, функциональный генератор 37, блок 38 извлечения квадратного корня.Устройство для формирования значения вращающего момента и частоты токов ротора (фиг. 4) содержит масштабные усилители 39 - 42, сумматоры 43, 44, входные клеммы 45, 4 б вычислителя 47 векторного произведения, блоки умножения 48, 49, входные клеммы 50, 51 вычислителя 47, выходная клемма 52 вычислителя 47, блок деления 53, блок умножения 54, масштабный усилитель 55.Устройство для получения скорости ротора (фиг. 6) содержит сумматор бб, блок деления 57, масштабный усилитель 58, масштабные усилители 59 - б 2.Устройство для формирования квадрата величины вектора потока (фиг. 7) содержит усилитель б 3 постоянного тока со входами б 4 и бб.Устройство для получения квадрата величины вектора потока для случая, когда на входе вычислителя имеется трехфазная система сигналов - составляющих вектора (фиг. 8) содержит вычислитель квадр ата амплитуды бб, сумматора 67 - б 9; масштаб. ные усилители 70 и 71; блока 72, 73 возведения в квадрат или функциональные генераторы, аналогичные генератору 37 (фиг. 3); сумматор 74; выходную клемму 75 вычислителя бб.Устройство для формирования величины вращающего момента для случая использо. вания трехфазных составляющих векторов тока статора и потокосцепления ротора (фиг. 9) содержит вычислитель 7 б векторного произведения; масштабный усилитель 77;С помощью вычислителя 3 квадрата амплитуды определяется квадрат величины вектора магнитного потока машины Ф. Блок 3 обеспечивает определение величины /Ф/ на основе 5 решения уравнения, связывающего квадратвеличины вектора с его двумя составляющими в косоугольных координатах: сумматор 78; блок умножения 79; сумматор80; масштабный усилитель 81; сумматоры 82и 83; блок умножения 84; сумматор 85; выходную клемму 8 б вычислителя 76,Структурная схема вычислителя величиныэ. д. с. статора (фиг. 10) содержит вычислитель квадрата амплитуды, аналогичный вычислителю 3 (фиг. 2) и состоящий из блоковумножения 87 - 89 и сумматора 90, а такжеблок извлечения квадратного корня 91 с выходной клеммой 92,Рассмотрим, каким образом формируютсяпараметры асинхронной машины, справедливые как для установившихся, так и для переходных режимов работы.С помощью трансформаторов 4 и 5 изменяются линейные напряжения, питающиеасинхронную машину, фазные обмотки которой соединены звездой.С помощью масштабных усилителей б - 9по известным формулам преобразования напряжения на выходных обмотках трансформаторов 4 и 5 преобразуются в фазные напряжения Уи Уз. С помощью измерительных трансформаторов тока 10 и 11, нагруженных на цепи из последовательно включен.ных резисторов 12 и индуктивностей 18, формируются сигналы, пропорциональные токамфаз машины и их производным. Эти сигналь 1поступают на масштабные усилители 14 - 17с коэффициентами передачи, пропорциональными величинам активного сопротивления Ли индуктивности рассеяния Л,6 первичнойцепи машины.На выходах усилителей 14 - 17 формируются спгналы, пропорциональные падениям напряжений на указанных фазных сопротивлениях первичной цепи машины.На выходах сумматоров 1 и 30 формируются сигналы, пропорциональные фазнымэ. д. с.Ф - = Ф-+ Ф-д+ ФФ.10,На выходе блока 38 (фиг. 3) имеетсятребуемое текущее .значение величины магнитного потока (Ф), которое может быть использовано в качестве сигнала обратной связи в контуре регулирования потока. 20 1 я1 ро 1 1 где 1,.н - индуктивность намагнивания,25 Е.- - индуктивность рассеяния роторнойцепи.Выходы фазных токов 18 и 20 блока 2подключены через масштабные усилители 39и 42 с коэффициентами передачи Ек сумматорам 43, 44, к другим входам которыхподключены выходы усилителей 40 и 41. На выходах сумматоров 43 и 44 формируются фазные составляющие уи уз векЗ 5 тора потокосцепления ротора, которые поступают на второй вычислитель квадрата амплитуды 8 и на одну пару входов 45 и 45 вычис.лителя векторного произведения 47. Другая пара входов 50 и 51 этого вычислителя под соединена к выходам фазных токов 18 и 20блока 2.Вычислитель 47 определяет векторное произведение двух векторов, представленных в виде фазных составляющих, и в данном слу чае вычисляется момент машины по формуле: ЙФо 1 Фе=Юи е=(клеммы 22 и 23). Эти сигналы интегрируются с помощью интеграторов 24 и 25, на выхо. дах 2 б и 27 которых формируются фазные составляющие Фв и Фв вектора потока машины.24 и 25С целью исключения дрейфа интегратораной ои 25 каждый из них охвачен отрицатенльи обратнои связью, в контуре которой используется пропорционально - интегральный усилитель 28 или 29 соответственно. Л 4 = ф., 1 - ,1. 50В соответствии с этим блок 47 содержигдва блока умножения 48, 49 и сумматор свыходом 52 для вращающего момента М; М - "- Ф й.,1 - , (щ.,Е,.-Рр)" 55 где Т - время интегрирования;Т - постоянная времени блоков 28 и 29;- коэффициент пропорциональногоусиления блоков 28 и 29, которыйвыбирается возможно малым,65 П ри этом должно выполняться условие: 2 Т Т., ,На фиг. 4 масштабные усилители 40, 4имеют коэффициент передачи где Р, - активное сопротивление фазы ротора. 60 Известно соотношение между квадратамивеличин векторов главного потока Ф и потока сцепления ротора .) Я.) Фг 5 0 При этом выражение для М) полученоисходя из того, что линейная функция М оть 2 является касательной к графику моментаМ (см. фиг. 5), проходящей через началокоординат,В соответствии с приведенным выражением для вг в устройстве на фиг. 4 имеетсяблок давления 53, формирующий частносМкоторое преобразуется с помощьюУг,масштабного усилителя 55 с коэффициентомпередачи Рг в текущую частоту ог.В соответствии с выражением для лине.аризованного момента М на фиг. 4 имеетсяблок умножения 54, на выходе которого формируется текущее значение момента М.На фиг. 6, помимо комплекта масштабныхусилителей 39 - 42, с помощью которого формировались составляющие вектора потокосцепления ротора, введен еще один такой жекомплекс масштабных усилителей для фойер.Ц 2)мирования составляющих э.д.с. ротораЖ423и -- . При этом введенные усилителиподключены к клеммам 19, 21 - 23 блока 2.Устройство (фиг. 6) построено в соответствии с выражением для величины к: 15Г 33 г 3 ( сХФю сейфи 1= ф)р - О 25 ) - - (фг,г2 , 111 40 45 50 55 60 65- МКг 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 5 б через масштабный усилитель 55 с коэффициентомЗ 13передачиПроизведение М Я 2 получается на выходе масштабного усилителя 58 с коэффициентом передачи Яг, вход которого подключен к выходу первого вычислителя векторного произведения 47, служащего для формирования величины М.На выходе сумматора 5 б формируется величина в соответствии с выражением в квадратных скобках формулы для о и используется в качестве делимого в блоке 57, В качестве делителя этого блока используется выходной сигнал с блока 3 (второй вычислиф 2 ф -Мс =- Л)1 = о)г) О).) ) Р 20 25 зо 35 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 б 3 с дифференциальными входами, на базе которого осуществляются операции масштабирования и сумм ирования сигналов в соответствии с величинами резис. торов в его входных цепях.Вычислитель (фиг. 8) определяет квадрат амплитуды вектора в соответствии с формулой: 1 Фг = фг+гфя+ фг - Флфз - файф т - ФзФ т Масштабные усилители 77 и 81 имеюткоэффициенты передачи, равные двум, а коэффициенты передачи всех сумматоров блока7 б по любому из входов одинаковы,На вход вычислителя (фиг. 1 О) поступаютфазные составляющие Еи Ея вектора э,д.с.,получаемые с клемм 22 и 23 блока 2 (фиг. 1).Сигнал, пропорциональный э, д. с. машины,выделяют для того, чтобы формировать сигЕнал, пропорциональный величине потоО),ка Ф, и использовать этот сигнал в контуререгулирования потока.Устройство согласно изобретению целесообразно применять в случаях, когда требуются текущие параметры асинхронной ма.шины, необходимые для высокодинамичныхсистем регулирования, и когда размещениеизмерительных датчиков внутри и на валуасинхронной 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 Р 1,-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 извлече. ния квадратного корня.2. Устройство по п. 1, отличаю ще еся тем, что, с целью повышения точности определения потока, в нем каждый интегратор содержит интегрирующий решающий усили тель, в котором применен контур отрицательной обратной связи с пропорционально-интегральным усилителем.3. Устройство по пп. 1, 2, отличающ 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 ам. плитуды 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, отлич ающ е е с я тем, что, с целью получения линеаризованного 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, о т л и ч а ю щ 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 5 вход которого через введенный масштабныйусилитель 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 формирователимгновенных значений э. д. с. фаз ротора к формирователям мгновенных значений э. д.с.фаз статора машины, причем выход введенного сумматора соединен со входом делимого 18 дополнительного блока деления, вход дели.теля которого подключен к выходу второо вычислителя квадрата амплитуды, при этом каждый формирователь э. д. с. фазы ротора содержит два масштабных усилителя и сум.20 матор.6. Устройство по пп. 1 - 5, отлич ающ 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 вычисли.тель с выходами формирователей э. д.с, фаз статора.30Источники информации, принятые во вни.мание при экспертизе:1. Сандлер А. С., Сарбатов Р, С. Частотное управление асинхронными двигателями, изд-во Энергия, 1966 г,2. 1.оо 1 е 6., РгоЫегпе дег 5 раппцпдзапраззипд Ьепп ВепеЬ оп АзупсЬгопгпо 1 огеп пи 1апаЫег Ргесрепг. АЕ 6 МН., 1964 г., 54, Юо 1,