Устройство для моделирования электромагнитных процессов в асинхронных машинах Советский патент 1990 года по МПК G06G7/62 

Изобретение относится к аналоговой вычислительной технике, в частности моделирования электрических систем или устройств.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет моделирования 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;

на фиг.5 - схема блока решения уравнений электромеханического равновесия машины; на фиг.6 - схема блока управления 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 hone 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 моделирования обмотки статора 5, первый 6, второй 7 и треел

со

N

СП 05

со

10

го

тий 8 коммутаторы имитации вращения ротора, включающие обратимые электронные ключи 9, блок 10 решения уравнений электромеханического равновесия машины и блок 11 управления коммутаторами вращения poi-opa. Резистивные сетки 1-3 (фиг,2 и 3) выполнены на переменных резисторах 12 и 13 соответственно с одним и двумя независимо ре гулируемыми подвижными контактами,, причем посредством резисторов 12 мо- ; делируются магнитные проводимости шли- : девых участков пазов статора и ротора, : а с помощью резисторов 13 - магнитные ; проводимости участков воздушного зазо- ра в интервале 1/6 зубцового деления : статора, а также пазов без учета 1или- ; цев , нелинейных резисторов 1А, моделирующих м агнитные проводимости участ ; КОВ ярем, зубцов сердечников статора

; и ротора, центральные узлы 15-23 ре- : зистивной сетки 3, конденсаторы 24 ; и 25, моделирующие активные сопротив- ления соответственно стержней и участ-25 ков короткозамыкающшс колец между : стержнями, резисторы 26, воспроизводящие индуктивности лобового рассеяния указанных участков короткоза- мыкающих колец.

С центральными узлами 27-38 пер-. вой резистивной сетки соединен блок 5 (фиг.4), включающий группу идентичных трансформаторов 39, Пер- : вичные обмотки 40 трансформаторов ; соединены между собой по схеме соеди- ; нения секций обмотки статора и под- ключены к выходным узлам электричес- ких мостов 41. Одни из входных узлов электрических мостов 41 через конденсаторы 42 подключены к внешним клем- А,В,С модели обмотки статора, а другие входные узлы через цепочки из последовательно включенных резисторов 43 и . 44 соединены с клеммами X,Y,Z, причем 45 резисторы 43 и 44 моделируют индук- ,тивности лобового рассеяния, а кон- д енсаторы 42 - .активные сопротивления фаз обмотки статора. Напряжения и токи модели обмотки статора $ соответствующие потокосцеплениям и токам фаз, измеряются на выходах повторителей 45 и 46. Вторичные обмотки 47 трансформаторов 39 через электронные мосты 48 подключаются к узлам 27-38 резистивной сетки 1. В плечи элект. рических мостов 41 и 48 введены об- рйтимые электронные ключи 49,управляемые синфазно в противолежаших плечах и в

1594569-4

п ротивофазе 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 вы- читателей 54 (фиг.5), выходы которых соединены с одними из входов пео ремножителей.55. Другие входы 56- 5В 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 один нз 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 резис .тора 70, пи30

35

40

50

55

таемого 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 напряжение 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 пепь 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 i 84 (фиг.5), выход которого подключен

45

. 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 резис .тора 70, пи0

50

55

таемого 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 напряжение 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 пепь 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 i 84 (фиг.5), выход которого подключен

к 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 вы- ход которого соединен с D-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 S-входы остальных триггеров подается единичное напряжение с выхода фильтра низких частот (образованного резистором 95 и конденсатором 96), вход которого соединен с источником +Е2. Инвертирующие S-входы триггеров 87, 88, 92 и инвертирующие R-входы остальных триггеров подключены через резистор 97 к источнику питания +EJ и через кнопочный выключатель с замыкающим контактом 98 - к шине нулевого потенциала. Единичные выходы групп триггеров 88-91, 92- 94 и единичный и нулевые выходы i. 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 108-119 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 соответ- ственно из четырех и трех групп параллельно управляемых ключей 9, число которых в каждой группе равно числу зубцов статора моделируемой машины, причем для рассматриваемого случая при Z -12 коммутатор 7 вьтол- няется однокаскадным. Число групп электронных ключей 9 в коммутаторе бив каждом каскаде коммутатора 7 пределяется множителями, на которые ожно разложить число зубиов стаора Z. Путем из возможных варианов разложения числа зубцов статора на множители выбирается тот, коорый обеспечивает наименьшую сумму

множителей. Для принятого числе зубцов статора Z 12 можно указать два примерно 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 разложение 4:2:3 обеспечивает наименьшую сумму множи,Q телей 4 + 2 ,+ 3 9. Согласно этому разложению коммутатор 6 должен содержать четыре группы электронных ключей, а коммутатор 7 - пять групп, из которых три включаются

15 в первый каскад, а две во второй каскад.

Принятая схема соединения коммутатора имитации вращения ротора между собой и с моделью магнитной 20 цепи позволяет существенно уменьшить требуемое количество электронных ключей. Количество узлов ре- зистивной сетки вдоль расточки ста- тора равно 5 Z (фиг.З). При имита- 25 НИИ полного оборота ротора с шагом дискретизации вращения, равным по- ловине зубцового деления статора,необходимо с помощью коммутатора фиксировать 2 Z взаим1П,1х положений 30 сеточных моделей магнитных цепей - статора и ротора. Это требу ет при известном способе имитации вращения , 10Z, электронных ключей (при Z, 24, JOZ t 5760).

5 Принятый подход к имитации вращения ротора при Z , 24 требует только лишь 5Z , 2 + 4Z J + 2Z + 3Z I9Z, 456 электронных ключей.

Значение К 3 (К - число групп 0 электронных ключей в коммутаторе 7, фиг.8) в выражениях для составляющих углов поворота ротора, имитируемых коммутаторами 6 и 7, соответствует Z/ 12. В случае Z 24, f 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 Z, 24 должен включать три кольцевых счетчика, вырабатывающих импуль- . сы соответственно для коммутатора 6, первого и второго каскадов коммутатора 7. Управляющие С-входы триггеров 5 третьего кольцевого счетчика должны быть соединены с единичным выходом триггера 92 второго кольцевого счетчика, т.е. третий кольцевой счетчик должен быть соединен с вторым коль 15

цевым счетчиком так, как второй кольцевой счетчик соединен с, первым, этому число идентично соединенных между собой кольцевых счетчиков в схеме блока управления коммутаторами вращения ротора должно быть на единицу больше числа каскадов коммутатора В моделирующем устройстве решается следующая система дифференциальных уравнений электромеханического равновесия машины, представленная в координатных осях А,В,С фаз в следующем виде:

Ju.dt v + L. . i + rU;, dt;

jUedt Ve+ L,. Ig + |U(.dt +. i-c rjiedt;

(1) 15

,

n

+ 2rji;; dt;

,)

(2) 20

(n 1,2,..,N) -|-J (m,, - m)dt , где ид, Ug, Uc,

(3)

-fi

- напряжения и токи фаз обмотки статора;А Ь . потокосцепления фаз

В режиме Пуск, реализуемом при нажатии клавиши Пуск, с выходов модели трехфазной сети соответству- ющие J U,dt, jUgdt, поступаобмотки статора без -.Q ют на вход блока моделирования обVh 35

учета, лобового рассеяния;

потокосцепление п- го (п,,2,.,.,9) контура короткозамк нутой обмотки рото- ра, образованного двумя соседними стержнями и замыкающими их участками - Q короткозамыкаюш 1х

6л

. n . П , n

i ,1 ,1

cmi cmi к

N

мотки статора 5, посредством которой решается система дифференциалыатх уравнений (1), описывающих процессы в фазах статора. При этом на входе электрического моста 41 (фиг.4) формируется напряжение, соответствующее потокосцепленшо фазной обмотки ; статора (4)д/д С) без учета лобового рассеяния, на конденсаторе 42 и резисторах 43 и 44 - напряжения, соответствующие потокосцеплению лобового рас- колец, без учета ло- „сеяния ,j5,cjH интегралу падения бового рассеяния -напряжения rJiд(gcldt на активном .

сопротивлении обмотки, а на выходах электрических мостов 48 - напряжения, соответствуюш ие потокосцеплениям секций фазной обмотки. Под действием выходных напряжений электрических мостов 48 образуются токи, воспроизводящие НДС секций обмотки статора, которые .вводятся в центральные узлы первой и второй резистивных сеток 1 и 2, соответствующие пазам стато- ра машины. Напряжения на выходах повторителей 45 и 46, соответствующие

50

Cm

к.

(фиг.З);

активное сопротивле- д

НИе и ИГЗДУКТИБНОСТЬ

лобового рассея1шя фазной обмотки статора;

токи ст ерлсней и участков колец п-го контура обмотки ротора; число контуров ротора;

активное сопротивление стержня; активное сопротивление и индуктив55

потокосцеплениям у , . и

кам 1

А

1-S С

и тообмотки статора поступают на вход блока 0 решения уравнений электромеханического равнове

6

ность участка коротко замыкающего кольца между соседними стержнями обмотки ротора; электромагнитный момент

га.

с) -

+ i.(Vc- 1;

(А)

m -. - тормозящий момент на валу

двигателя;

I - момент инерции ротора.

Устройство работает следующим образом.

Нажатием кнопки 98 (фиг.5) и клавиш Возврат устройство переводится в исходное состояние, при котором на выходах интеграторов 60 и 6) устанавливаются начальные значения напряжений, а триггеры 87-94 переходят в начальные состояния.

В режиме Пуск, реализуемом при нажатии клавиши Пуск, с выходов модели трехфазной сети соответству- ющие J U,dt, jUgdt, поступают на вход блока моделирования об сопротивлении обмотки, а на выходах электрических мостов 48 - напряжения, соответствуюш ие потокосцеплениям секций фазной обмотки. Под действием выходных напряжений электрических мостов 48 образуются токи, воспроизводящие НДС секций обмотки статора, которые .вводятся в центральные узлы первой и второй резистивных сеток 1 и 2, соответствующие пазам стато- ра машины. Напряжения на выходах повторителей 45 и 46, соответствующие

5

потокосцеплениям у , . и

кам 1

А

1-S С

и тообмотки статора поступают на вход блока 0 решения уравнений электромеханического равновеto

ся в единичное состояние, а ные группы - в нулевое состо режиме Пуск с выхода усили через делитель, образованный рами 83 и 8А, через усилител транзисторе 85 на С-вход три 87 поступают импульсы, каждьй торых приводит к переключению ния триггера. При этом перед ты импульсов, формируемых на ном выходе триггера 87 привод циркуляции Г по замкнутой э рической цепи кольцевого счет J5 образованного триггерами 88-9 логично передние фронты импул генерируемых на единичном вых триггера 88, приводят к сдвиг по замкнутому контуру кольцев чика, образованного триггерам Сигналы с единичных выходов т ров 87-94 приводят к согласов включению групп электронных к .коммутаторов 6-8, в результат имитируется вращение ротора с дискретизации, равным половин вого деления статора (фиг.8). этом посредством коммутаторов и 7 имитируются составляющие

20

25

сия машины (фиг.4), в результате чего на выходе сумматора 59 формируется согласно (4) напряжение, соответствующее электромагнитному моменту га. Далее по известному моменту нагрузки найденному электромагнитному моменту посредством интегратора 60 решается уравнение движения ротора (3), в результате чего на выходе интегратора 60 формируется положительное напряжение, соответствующее угловой скорости вращения ротора Шр. Указанное напряжение преобразуется в частоту следования импульсов на выходе усилителя 65, которые поступают на вход блока 11 (фиг.6). Усилитель 65, охваченный положительной обратной связью через резисторы 66 и 67, образует пороговый детектор, порог срабатывания которого определяется опорным напряжением, поступающим на инвертирующий вход с выхода переменного резистора .Частота следования импульсов зависит от резистора 67, а также величин напряжения на выходе интегратора 60 питаемого источника ч-Е .При положительном напряжении на выходе усилителя 65 электронный ключ 62 находится в прово- -дящем состоянии (напряжениемежду затвором и источником полевого транзистора, на основе которого реализован электронный 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 возрастающее положительное напряжение, При достижении напряжения на входе усилителя 65 порогового значения по- . роговый детектор переходит в другое устойчивое состояние, при котором на его выходе устанавливается отри- .цательное напряжение, запирающее электронный ключ 62. В результате этого на вход интегратора 61 поступает только положительное выходное нап- rg Kt- C) - единичный скачок; ряжение интегратора 60, приводящее в конечном счете к образованию на выходе интегратора 61 отрицательного напряжения и срабатыванию порогового детектора при достижении напряжения „ на его входе порогового значения.

В исходном состоянии устройства (в режиме Возврат) нажатием кнопки 98 триггеры 87, 88 и 92 переводят.

30

35

40

ворота ротора относительно ст представляемые следующими вьф ями:

.., ||;.М„-о,з)2|.ь - i -I

,UpZ

,. 21Т21 .

кГ 7 l(t - п ---) 45

- угловая скорость ния ротора.

При этом в модели угловая к ната ротора относительно стато (фиг.7)

2 V v.. IH

o

ся в единичное состояние, а остальные группы - в нулевое состояние. В режиме Пуск с выхода усилителя 65 через делитель, образованный резисторами 83 и 8А, через усилитель на транзисторе 85 на С-вход триггера 87 поступают импульсы, каждьй из которых приводит к переключению состояния триггера. При этом передние фронты импульсов, формируемых на единичном выходе триггера 87 приводят к циркуляции Г по замкнутой электрической цепи кольцевого счетчика, 5 образованного триггерами 88-91. Аналогично передние фронты импульсов, генерируемых на единичном выходе триггера 88, приводят к сдвигу по замкнутому контуру кольцевого счетчика, образованного триггерами 92-94. Сигналы с единичных выходов триггеров 87-94 приводят к согласованному включению групп электронных ключей .коммутаторов 6-8, в результате чего имитируется вращение ротора с шагом дискретизации, равным половине зубцо- вого деления статора (фиг.8). При этом посредством коммутаторов 8, 6 и 7 имитируются составляющие угла по0

5

Kt- C) - единичный скачок;

g Kt- C) - единичный скачок;

30

ворота ротора относительно статора, представляемые следующими вьфажени- ями:

g Kt- C) - единичный скачок;

35

40

.., ||;.М„-о,з)2|.ь - i -I

,UpZ

,. 21Т21 .

кГ 7 l(t - п ---) Kt- C) - единичный скачок;

- угловая скорость вращения ротора.

При этом в модели угловая координата ротора относительно статора (фиг.7)

2 V v.. (п-О.З).

Ч.

Ut

217

24 I

- т)

2iP,

- - (t - n --)

Пт1

Wo

Формула йз обретения

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 граничш 1е узлы первой резистивной сетки соединены соответственно с шиной нулевого потенцигша устройства и с информационными входами первого коммутатора имитации эр а- щения ротора, центральные узлы первой резистивной сетки подключены к выходу маг нитодвижущих сил и потоко- сцепления блока моделирования обмот2. Устройство поп.1,отлича ю щ е е с я тем, что блок управления коммутаторами имитации вращения ротора содержит два кольцевых сдви- регистра, делитель напряжения, транзисторный усилитель, фильтр низких частот, триггер и формирователь одиночных импульсов, выход кото рого подключен к информационному вхо ду первого кольцевого сдвигающего р

ки статора, выход измерительных цепей

которого соединен с входом блока- peme-jo единичному входу триггера кия 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 KOistMy- татора имитации враще1Ь1я ротора, . внешние граничные и центральные узлы третьей резистивной сетки блока моделирования магнитной цепи соеда- нены соответственно с выходами второго коммутатора имитации вращения ротора и выходом блока моделирования обмотки ротора, отличающее- с я тем, что, с целью расширения функциональных.возможностей за счет моделирования асинхронных машин с произвольной обмоткой статора, уст35

40

45

50

и через фильтр низких частот соединен с информационным входом второго кольцевого сдвигающего регистра, прямой выход триггера подключен к синхровходу второго кольцевого сдви ющего регистра, выход старшего разр да которого соединен с синхровходом первого кольцевого сдвигающего регистра, разрядные выходы которого являются второй группой выходов бло ка, первой группой выходов которого являются разрядные выходы второго кольцевого сдвигающего регистра, вх делителя напряжения явл-яется входом запуска блока, выход делителя напря жения через транзисторный усилитель подключен к синхровходу триггера-и к другому входу фильтра низких частот, обратный выход триггера соединен с D-входом триггера, прямой и обратный выходы которого являются третьей группой выходов блока.

ройство, содержит третий коммутатор имитации вращения ротора и блок уп

s

0

5

равления коммутаторами вращения ротора, вход запуска которого срединен с выходом блока решения уравнений электромеханического равновесия машины, первая, BTopaff и третья группы выходов блока управления коммутаторами имитации вращения ротора подключены соответственно к управляющим входам первого, второго и .третьего коммутаторов имитации вращения ротора, выход первого коммутатора имитации вращения ротора соединен с информационным входом третьего коммутатора имитации вращения ротора, выход которого подключен к внешним граничным узлам второй резистивной сетки блока моделирования магнитной цепи.

2. Устройство поп.1,отлича- ю щ е е с я тем, что блок управления коммутаторами имитации вращения ротора содержит два кольцевых сдви- регистра, делитель напряжения, транзисторный усилитель, фильтр низких частот, триггер и формирователь одиночных импульсов, выход которого подключен к информационному входу первого кольцевого сдвигающего 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 явл-яется 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 D-входом триггера, прямой и обратный выходы которого являются третьей группой выходов блока.

Фиг.1

Изобретение относится к вычислительной технике, в частности к моделированию электрических систем. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет моделирования асинхронных машин с произвольной обмоткой статора. Это достигается введением в устройство третьего коммутатора имитации вращения ротора и блока управления коммутаторами вращения ротора. 8 ил.

яMeftffa ft }3Z-J9t Фие.г

4

27 2S 29 30 37 32 33 3 35 36 37

Фие.

38

Фие.5

V V

Ю6 107

f . р 7 f f S W

w

w

W5

ios ушфвдywg p. js p;j7

tr

707 I . и

L.fe

№

;t

ji

9 79J ;9# igs J96 ш i9B

(Su. 7

Фиг. 6

№n

П

J.

t

.

262 263

п riinnnmr-ir-in

Фиг. 8