Устройство для моделирования электрических машин Советский патент 1990 года по МПК G06G7/63 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к средствам исследования переходных процессов- и противоаварийной автоматики в электроэнергетической системе (ЭЭС) .

Целью изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей при исследовании режимов электроэнергетических систем.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 - блок формирования частоты; на фиг.З - схема блока моделирования контуров ротора; на фиг.4 - схема блока моделирования контуров статора; на фиг.5 - схема блока моделирования уравнения движения; на фиг.6 - схема блока нелинейности типа насыщения, соответствующего главной магнитной цепи; на фиг.7 - схема блока Формирования выходного тока и напряжения и блока компенсации постоянной составляющей; на фиг.8 - временные диаграммы, поясняющие работу блока формирования частоты.

Устройство (фиг.1) содержит блок 1 режекторных фильтров, блок 2 формирования частоты, блок 3 формирования выходных токов и напряжений, блок 4

СД

t:o

00 00 05

компенсации постоянных составляющих, первый блок 5 ключей, первый суммато 6, первый избирательный фильтр 7, фазовращатель 8, первый блок 9 памя- ти, узлы 10 и 11 формирования потоко образующие блок 12 моделирования контуров ротора, блок 13 моделирования уравнений движения ротора, блок 14 моделирования контуров статора, вто- рой блок 15 ключей, второй сумматор 16, блок 17 нелинейности типа насы- щейие,.первый избирательный фильтр 18, второй блок 19 памяти. Блок 1,3, 4,5,9,12,13,14,15,17 и 19, сумматоры 6 и 16, фильтры 7 и 18 и фазовращатель 8 образуют блок 20 моделирования амплитуд выходных параметров.

Блок 2 формирования частоты (фиг.2) содержит кварцевый генератор 21, генераторы 22 и 23 пилообразного напряжения, компараторы 24-26, компаратор 25 имеет второй вход 27, компаратор 26 имеет второй вход 28, компараторы 29-31, компаратор 30 имеет второй вход 32, компаратор 31 имеет второй вход 33, блоки 34 и 35 логики (элементы И), ключи 36 и 37, компаратор 38 с входом 39, триггер 40, блоки 41 и 42 логики (элементы И), ключ 43, инвертор 44, интегратор 45, инвертор 46, блок 47 формирования частоты

().

Узел 10 формирования потоков (фиг.З) содержит инерционное звено 48, состоящее из усилителя 49, входных резисторов 50 и 51, параллельных цепей обратной связи, резистора 52, конденсатора 53 и резистора 54, кон- денсатора 55 и резистора 56, дифференциатор 58, состоящий из интегратора 59 с входным резистором 60 и конденсатором 61 в обратной связи, инвертора 62 с входным резистором 63 и резистором 64 в обратной связи, усвдштеля 65 с входными резисторами 66 - 68, блока 69 перемножения, имеющего второй вход 70, измеритель 71 тока, состоящий из резистора 72 и дифференциального усилителя 73 с входными резисторами 74 - 76 и резистором 77 обратной связи, усилитель 73 имеет второй вход 78 блока, инвертор 79 с входным резистором 80 и резистором 81 обратной связи. Узел 10 соответствует контуру ротора по оси d, узел 11, аналогичный узлу 10, соответствует контуру ротора по оси q.

Q s

0 5 о

,.

5

5

Блок 14 моделирования контуров статора (фиг.4) содержит два узла 82 и 83 дифференцирования, два перемножителя 84 и 85, перемножители имеют вторые входы 86, дифференциатор 82 состоит из усилителя 87 с входными резисторами 88 и 89, усилитель 87 имеет-второй вход 90, интегратора 91 с входными резисторами 92-94 и конденсатора 95 в цепи обратной связи, инвертора 96 с входным резистором 97 и резистором 98 в цепи обратной связи, дифференциатор 83 состоит из усилителя 99 с входными конденсаторами 100 и 101, усилитель 99 имеет вто- рой вход 102, интегратор 103 с входными конденсаторами 104-106 и конденсатором 107 в цепи обратной связи, инвертора 108 с входным резистором 109 и резистором 110 в цепи обратной связи.

Блок 13 моделирования уравнения движения (фиг.5) содержит два пере- . множителя 113 и 114. Перемножитель 113 имеет входы 115 и 116, перемножи- тель 114 имеет входы 117 и 118, сумматор 119с входными резисторами 120 и 12J и резистором 122 в цепи обратной связи, интегратор 123 с входными резисторами 124 и 125 и конденсатором 126 в цепи обратной связи, интегратор 123 имеет второй вход 127, усилитель 119 имеет выход 128, интегратор 123 имеет выход 129. Блок моделирования нелинейности типа насыщение (фиг.6-) содержит перемножитель 130, перемножитель имеет первый вход 131, делитель 132 с резисторами 133 и 134, нелинейное звено 135, состоящее из делителя нелинейного блока 136 с резисторами 137 и 138, диода 139, фильтра 140 с резисторами 141 и 142 и конденсатором 143, транзистора 144 с резисторами 145 и 146 смещения, регулируемого источника . 147 напряжения, инвертор 148 с входным резистором 149 и резистором 150 в цепи обратной связи, инвертор 148 имеет выход 151 блока 17 нелинейности, который соединен с двумя вторыми входами блоков 10 и 11, клемму 152, делитель 136 нелинейного звена имеет вход 153.

Блок 3 формирования выходных токов и напряжений и блок 4 компенсации постоянных составляющих представлены лишь для одной фазы а (фиг.7). Блок 3 содержит усилитель 154 с входными резисторами 155 и 156 и резисторами 157 и 158 в цепи обратной связи, дифференциальный усилитель 159 с входными сопротивлениями 160 - 162 и резистором 163 в цепи обратной связи, усилитель 154 имеет первый вход 165 и второй вход 164, подключенный к выходу блока 1 фазы ы, выход 166 является первым вьпсодом блока 3 и основным выходом амплитудного канала модели синхронной машины, выход 173 является вторым выходом блока 3, выход 167 является третьим выходом блока 3

Блок 4 содержит усилитель 168 с входным резистором 1б9 и конденсатором 170 и резистором 171 в цепи обратной связи, делитель с резисторами 172 и 173, усилитель 168 имеет вход 173.

Устройство работает следующим образом.

На входы первого блока (фиг . 1) ключей 5 поступают аналоговые напряжения, пропорциональные фазным токам машины i, i, ..., ij, представленные в осях а, b,...,m. Электронные ключи этого блока управляются импульсами квантующей частоты (

2 |Г . +f), сдвинутыми по фазе на -,

где f - собственно квантующая эталонная (несущая) частота; f - частота на зажимах генератора;

m - число фаз.

Выходные точки ключей блока 5 в виде импульсных сигналов поступают на сумматор 6 типа операционного усилителя, а выходной сигнал этого усилителя поступает на вход избирательного фильтра 7. Фильтр 7 состоит из настроенного контура на частоту а; и предназначен для выделения первой гармоники из суммарного входног сигнала. Выделенный фильтром 7 ток первой гармоники CL -J. высокой частоты поступает на вход фазовращателя 8, предназначенного для установки нуля фазы. Выход фазовращателя 8 соединен с входом блока памяти. Ключи блока памяти (не показаны) управляются импульсами несущей частоты oD, отличающимися фазой. С выхода первого блока 9 снимаются напряжения, пропорциональные токам, представленным в осях ротора d и q синхронной (асинхронной машины i, ijj. Выходные напряжения блока памяти, пропорциональные i

и IQ, подаются на входы модели контуров ротора. Моделирование токов, потоков, напряжений в контурах ротора может быть выполнено на основе анали-| за следующих уравнений. По определе- нию поток в зазоре равен произведению суммы всех токов контуров синхронной машины на коэффициент взаимоиндукции

Vjj (id+if+

ч

Для i-го демпферного контура

(1)

D

-зг ,- V

0.

(2)

Учитывая, что

VDi с/с, + ic,- , напишем в операторной форме

,в,-)

откуда

- . ,

рх

Р If

i

и;

ЪС- DI

-.(3)

/ « О .N

г1,;() Подставляя (3) в (1), получим

Vj.,

1

(4)

1

U

olof

Ь( л;

. Р xjjj,.

Р +1

Из уравнения (4) следует, что если на вход операционного усилителя подать токи , то для получения

потока в зазоре t jfj в цепи обратной связи его должны быть параллельно включены активное сопротивление и п RC-цепочек, моделирующие демпферные контуры (фиг.З). Для определения тока

п ротора in необходимо решить уравнение

и

dt

Имея В виду, что

i,,i 4cJ (;{J

5 окончательно напишем

V

Inj Р.

fd fd

Эти выходы блока 12 моделирования Q контуров ротора соединены с входами блока 14 моделирования контуров статора, в котором решаются известные уравнения в осях d, q, содержащие операционные усилители, пассивные цепи и блоки произведения (фиг.4). На другие входы блока 14 моделирования контуров статора приходит от блока 13 моделирования уравнения движения аналоговое напряжение, пропорцибналь-

5

ное скольжению S. На выходе блока 14 моделирования контуров статора образуются сигналы, пропорциональные напряжениям Ug и Ug, .

Выходы блока 14 моделирования контуров статора соединены с входами второго блока 15 ключей, которые управляются импульсами несущей эталонной частоты tx)

V- Выходные токи блока; 15 ключей в

виде импульсных сигналов поступают на сумматор 16 и затем на первый вход Ugj( блока 17 (фиг.6), а в самом блоке насыщения - на вход перемножителя 130.

Второй вход и блока 17 является вторым входом паремножителя 130 и связан с резисторами делителя 132. Один резистор делителя соединен с клеммой 152, на которую подается эталонное напряжение U, а другой резистор соединен с нелинейным звеном 135.

Выход фильтра 18 через делитель 136 соединен с регулируемым источником 147 напряжения. Источник 147 регулируемого напряжения может быть выполнен в виде управляемого цифро- аналогового преобразователя или регулируемого потенциометра. Делитель 136 представляет собой последовательное соединение двух резисторов, общая точка которых через диод 139 и фильтр 140 верхних частот соединена с транзистором 144.

В линейной части моделируемой характеристики холостого хода напряжение на выходе фильтра 18 ниже напря- жения источника 147 и сигнал через диод 139 не проходит. Тогда на выходе перемножителя образуется напряжение

где и

и выл- - и gx,-Ugj,,

ВХ

const.

В нелинейной части характеристики холостого хода сигнал, поступающий с фильтра, превыщает по величине напряжение на источнике 147 и диод становится проводящим. Это приводит к открытию транзистора 144 и изменению величины напряжения второго входа перемножителя . Поэтому для нелинейной части характеристики холостого хода машины выходное напряжение перемножителя будет

и 6t.x и бхГ и ) .

Точка перехода линейной части характеристики в нелинейную регулируется установкой кода в управляемом

0

5

цифроаналоговом преобразователе источника 147.

С помощью нелинейного звена 135 может быть достаточно точно смоделирована характеристика главной магнитной цепи.

Выход перемножителя 130 соединен с входом избирательного фильтра 18. Выделенный фильтром 18 ток первой гармоники высокой частоты поступает на вход блока 19 памяти.

Ключи блока 19 памяти управляются импульсами отличающимися фазой. На выходе блока 19 формируются сигналы, пропорциональные фазным напряже0

5

0

5

0

5

0

5

ниям и„, и, Фазные

U;

и,

и.

i напряжения П, и, .,

снимаемые с блока 19 памяти, кроме основных частот содержат пятикилогерцо- вые ступенчатые составляющие, вызываемые дискретно-импульсным характером работы блока памяти. С целью их уст- , ранения предусмотрен блок 1 режектор- ных фильтров, ограничивающий про- хождение частот, начиная с 4000 Гц.

Выходы блока 1 режекторных фильтров соединены с вторыми входами блока 3, осуществляющего связь модели синхронной машины с моделью нагрузок. Устройство блока 3 (фиг.7) содержит усилитель 154 мощности и измеритель 159 тока, причем измерительное сопротивление 158, находясь в цепи обратной связи усилителя 154, оказывается иск- люченньм из цепи нагрузки, так как напряжение, в точке 166 зависит только от входных напряжений усилителя и не зависит от протекающего через резистор 158 тока нагрузки.

С целью уменьшения постоянной составляющей усилителя 154, например из-за дрейфа нуля, введена допопни- тельная обратная связь в виде блока 4 компенсации постоянной составляющей. Так как конденсатор 169, стоящий на входе усилителя, пропускает только переменную составляющую входного сигнала, то в точке 165 переменные составляющие взаимно компенсируются и остается лишь постоянная составляющая сигнала, которая и подается на вход 165 усилителя 154. Таким образом, по постоянной составляющей имеется своя, более сильная обратная связь, что приводит к значительному уменьшению ее величины.

На вход блока 43 ключей подаются аналоговые напряжения (фиг.2), пропорциональные скольжению ротора tS. Выход блока 43 ключей соединен с входом интегратора 45. выход которого соединен с нуль-органом 24 и через инвертор 46 - с нуль-органом 29.

На другие входы нуль-органов 24 и 29 поступают с генераторов 22 и 23 управляемых кварцованньм генератором 21 напряжения пилообразной формы, отличающиеся фазой на 180. При сравнении сигналов интеграторов (фиг.8, диаграмма Ij в зависимости от соотношения входных напряжений на нуль- органах изменяется длительность выходных напряжений прямоугольной формы (диаграммы IV, V и для инвертированного сигнала - VIII, IX). Ограничительные импульсы прямоугольной формы неизменной длительности образуются на блоках 25, 26 и 30, 31 при сравнении напряжений пилообразной формы, вырабатываемых блоками 22 и 23 с опорными напряжениями + U и -U, (диаграммы II и III, для инвертированных сигналов - VI, VII). По мере того, как выходное напряжение интегратора 45 низкой частоты возрастает, наступает момент, когда фронты нуль-орга-. нов 24 и 29 и ограничителей 25, 26 и 30, 31 совпадут (точки А и В на диаграмме I). При этом сработают блоки логики: для точки А - блок 34, а для точки В - блок 35. Образующиеся импульсы поочередно будут поступать через ключи 36 и 37 на входы триггера 40.

Изменение состояние триггера вызывает изменение состояния ключа 43, в результате чего интегратор 45 изменит направление интегрирования. Одновременно триггер 40 переключит цепи логики блоков 41 и 42, определяя порядок очередности прохода пачек импульсов , запускающих мультивибратор блока 47 формирователя суммарных импульсов . После деления и расщепления импульсов по фазам на выходе блока 47 образуются импульсы частоты, равной сумме частот кварцованного сигнала и частоты вращения ротора.

Ключи 36 и 37, управляемые от компаратора 38, служат для изменения логики цепи обратной связи интегратора 45 при изменении знака скольжения S, подаваемого на вход 39. При этом обратная связь интегратора 45 оказывается всегда отрицательной.

Формула из

10

о б р е т

е н и л

0

0

5

0

5

0

5

0

5

1. Устройство для моделирования электрических машин, содержащее блок формирования частоты, два блока ключей, два избирательных фильтра, два блока памяти, блок моделирования контуров ротора, включающий первый и второй узлы формирования потоков, первая группа входов блока моделирования контуров ротора является входами задания продольного и поперечного возбуждения устройства, первая группа выходов блока формирования частоты подключена к группе входов управления записи первого блока памяти, группа выходов которого подключена к второй группе входов блока моделирования контуров ротора, первая и вторая группы выходов блока формирования частоты соединены соответственно с управляющими входами второго блока ключей, входами управления записи второго блока памяти и коммутационными входами первого блока ключей, выход первого избирательного фильтра подключен к информационному входу второго блока памяти, о-тличаю- щ е е с я тем, что, с целью повьщге- ния точности и расширения функцио-.-. нальных возможностей при исследовании режимов электроэнергетических систем, оно содержит блок моделирования контуров статора, блок моделирования уравнений движения ротора, блок формирования вьп-:одного тока и напряже- ния, фазовращатель, блок режекторных фильтров, блок нелинейности типа насыщение, блок компенсации постоянной составляющей и два сумматора, первый и второй выходы блока моделирования контуров ротора соединены с первыми и вторыми входами, соответствующими продольному и поперечному возбуждению блоков моделирования кон- 1 уров статора, и блока моделирования уравнений движения ротора, выход блока моделирования уравнений движения ротора подключен к входу задания скольжения блока моделирования контуров статора и входу блока формирования частоты, группа выходов первого блока ключей соединена с группой входов первого сумматора, выход которого через последовательно соединенные первый избирательный фильтр и фазовращатель подключен к информационному входу первого блока памяти, первый и

второй выходы которого подключены к первому и второму входам, соответствующим продольному и поперечному

усилителя, первый вход блока модели рования контуров статора соединен входом операционного усилителя пер

возбуждению, блока моделирования урав-. го блока дифференцирования, первым

10

15

20

нений движения ротора, третий вход которого является входом задания постоянного напряжения, соответствующего вращающему моменту устройства, выходы блока моделирования контуров статора, соответствующие продольному и поперечному возбуждению, соединены с соответствующими информационными входами второго блока ключей, первый и второй выходы которого соединены с соответствующими входами второго сумматора, выход которого подключен к сигнальному входу блока нелинейности типа насьш;ение, первый выход которого подключен к входу первого избирательного фильтра, выход которого соединен с управляющим входом блока нелинейности типа насыщение, второй выход которого подключен к группе входов задания нелинейности блока мо- 25 делирования контуров ротора, группа выходов второго блока памяти соединена с входами блока режекторных фильтров, группа выходов которого соединена с первой группой информационных входов блока формирования выходного тока и напряжения, первая группа выходов которого подключена к информационным входам первого блока ключей, вторая группа информационных входов и выходов блока формирования выходного тока и напряжения соединены соответственно с выходами и входами блока компенсации постоянной составляющей, третья группа выходов блока формирования выходного тока и напряжения является выходами устройства по току и напряжению электрической машины,

2. Устройство поп,1, отлича ю щ е е с я тем, что блок моделирования контуров статора содержит первый и второй блоки умножения, и пер- Bbtft и второй блоки дифференцирования, выполненные в виде последовательно соединенных операционного усилителя, интегратора и инвертора, выход кото рого соединен с входом операционного

30

35

40

45

50

входом второго блока умножения, вх дом интегратора второго блока дифф ренцирования, второй вход блока мод лирования контуров статора подключ к первому входу первого блока умнож ния, входу интегратора первого бло дифференцирования, входу операцион го усилителя второго блока диффере цирования, вторые входы первого и - второго блоков умножения подключены к входу задания скольжения блока мо делирования контуров статора, а их выходы соединены с соответствующими входами интеграторов первого и втор го блоков дифференцирования, выходы операционных усилителей первого и второго блоков дифференцирования яв ляются первым и вторым выходами бло ка моделирования контуров статора.

3. Устройство по П.1, о т л и - чающееся тем, что узел форм рования потоков содержит перемножитель, измеритель тока, выполненный в виде дефферешщального: усилител инерционное звено, выполненное в ви операционного усилителя, первый инвертор, последовательно соединенные интегратор, второй инвертор и опера ционный усилитель, выход которого соединен с первым входом перемножит ля, выход которого подключен к вход интегратора, второй вход перемножит ля подключен к входу задания нелине ности узла формирования потоков, пе вый вход инерционного звена являетс входом узла формирования потоков, в ход которого является выходом узла формирования потоков, вход задания возбуждения которого соединен с пер вым входом измерителя тока, второй вход которого подключен к выходу оп рационного усилителя, вход которого соединен с выходами дифференциально усилителя измерителя тока, вторым входом инерционного звена и через первый инвертор - с выходом инерцио ного звена.

усилителя, первый вход блока моделирования контуров статора соединен с входом операционного усилителя перво.

0

5

0

5

0

5

0

5

0

входом второго блока умножения, входом интегратора второго блока диффе- ренцирования, второй вход блока моделирования контуров статора подключен к первому входу первого блока умножения, входу интегратора первого блока дифференцирования, входу операционного усилителя второго блока дифференцирования, вторые входы первого и - второго блоков умножения подключены к входу задания скольжения блока моделирования контуров статора, а их выходы соединены с соответствующими входами интеграторов первого и второго блоков дифференцирования, выходы операционных усилителей первого и второго блоков дифференцирования являются первым и вторым выходами блока моделирования контуров статора. .

3. Устройство по П.1, о т л и - чающееся тем, что узел формирования потоков содержит перемножитель, измеритель тока, выполненный в виде дефферешщального: усилителя, инерционное звено, выполненное в виде операционного усилителя, первый инвертор, последовательно соединенные интегратор, второй инвертор и операционный усилитель, выход которого соединен с первым входом перемножителя, выход которого подключен к входу интегратора, второй вход перемножителя подключен к входу задания нелинейности узла формирования потоков, первый вход инерционного звена является входом узла формирования потоков, выход которого является выходом узла формирования потоков, вход задания возбуждения которого соединен с первым входом измерителя тока, второй вход которого подключен к выходу операционного усилителя, вход которого соединен с выходами дифференциального . усилителя измерителя тока, вторым входом инерционного звена и через первый инвертор - с выходом инерционного звена.

Фиё. 1 гЩгдв(и,)

Шиг.г

L

5 A W

I

, I

51 fCD/«J

(Ригл

г; 1 Hj/ij г-г

I 120

т

Id

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для исследования переходных процессов управления, регулирования и противоаварийной автоматики в электроэнергетической системе переменного тока. Цель изобретения - повышение точности и расширение функциональных возможностей при исследовании режимов электроэнергетических систем. Устройство выполняется в многофазном исполнении, учитываются переходные и сверхпереходные процессы статорных цепей, скольжение может измеряться от нуля до единицы в любом направлении, в роторные цепи по обеим осям имеется возможностью ввода сигналов от регулируемых систем возбуждения. Цель достигается введением в устройство блока моделирования контуров статора, блока моделирования уравнений движения ротора, блока формирования выходного тока и напряжения, фазовращателя, блока режекторных фильтров, блока нелинейности типа "насыщение", блока компенсации постоянной составляющей и двух сумматоров. 2 з.п.ф-лы, 8 ил.

Фиг.5

7П

/.г г ш 1Ь