Устройство для моделированияСиНХРОННОгО гЕНЕРАТОРА Советский патент 1981 года по МПК G06G7/62 

1

Изобретение относится к моделированию энергосистем и может быть использовано в специализированных аналоговых и цифроаналоговых систеN ax для расчета установившихся и переходных режимов.

Известно устройство для моделирования переходных процессов синхронного генератора, содержащее источник опорных- управляющих импульсов, блок вычисления ЭДС генератора, блок .вычисления скольжения и напряжения генератора, блок преобразования скольжения в два гармонических сигнала и гармонические преобразователи 1 .

.. Фильтры,, используемые в гармони4еских преобразователях данного устройства вносят заметную погрешность в рабочем диапазоне частот при моделировании в натуральном масштабе времени асинхронных режимов электрической машины.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для моделирования синхронного генератора, содержащее генератор стабильной частоты, подключенный ко входу сумматора частот, другой вход которого подключен к

первому выходу блока, вычисления скольжения и напряжения генератор второй выход которого через усили тель подключен к первым входам первого и второго амплитудных модуляторов, выходы.которых соответственно через первый и второй фильтры подключены к первому и второму входам блока вычисления потоко0сцеплений, причем вторые входы первого и второго амплитудных модуляторов подключены соответственно к выходам первого и второго широтноимпульсных модуляторов 2).

5

Входящие в состав известного устройства фильтры, включенные между сумматором частот и усилителями, подключенными к широтно-импульсным модуляторам, вносят значительные

0 амплитудные и фазовые погрешности при изменениях частоты. Увеличение погрешности в известных устройствах при ускорении воспроизведения переходных процессов в электрических

5 машинах препятствует повышению их быстродействия и ограничивает применение в гибридных вычислительных системах.

Цель изобретения - првышение 0 точг.остн и быстродействия вычислеНИИ переходных и установившихся режимов электрических машин.

Поставленная, цель достигается тем, что в устройство, содержащее генератор -импульсов, выход которого подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с первым выходом блока вычисления скольжения, второй выход которого является выходом устройства и через усилитель подключен к первым входам амплитудных модуляторов, выходы которых через фильтры соединены со входами блока вычисления потокосцеплений, широтно-импульсные -модуляторы, выходы которых подключены ко вторым входам амплитудных модуляторов, введены суммирующий усилитель мощности формирователи импульсов, цифроаналоговые преобразователи и делитель частоты, вход которого соединен с выходом сумматора, прямой и инверсны выходы первой группы выходов делителя частоты через формирователи им-пульсов подк лючены ко входам широтно-импульсных модуляторов, прямой

и и 1версный выходы второй группы выходов делителя частоты соединены с первыми входами цргфроаналоговых преобразователей, вторые входы которых подключены к выходам блока вычисления потокосцеплений, выходы цифроаналоговых преобразователей соединены со входами «уммирующего усилителя мощности, выход которого подключен ко входу блока вычисления скольжения.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства. .

Оно содержит генератор 1 импульсов стабильной частоты, сумматор 2 частот, делитель 3 частоты, формирователи 4 -и 5 импульсов, широтноимпульсные модуляторы б и 7, амплитудные модуляторы 8 и.9, фильтры 10 и 11-, блок 12 вычисления потокосцеплений, цифроаналоговые прёобразова-тели 13 и 14, суммирующий усилитель 15 мощностги, блок 16 вы-. числения скольжения и напрйж зния электрической машины, усилители 1722, преобразователь 23 мощности, трансформатор 24, резисторы 25-39, конденсаторы 40-43, катушку 44 индуктивности, ключ 45 и блок 46 управления.

. Выход генератора 1 стабильной частоты подключен к первому входу сумматора 2 частот,-ко второму входу которого подк лючен первый выход блока 16 вычисления скольжения и напряжения электрической машины. Второй выход блока 16подключен через усилитель 17 к первым основным входам амплитудных модуляторов .8 и 9. Выход амплитудного модулятора 8 через фильтр 10 подключен -к первому входу блока 12 вычисления потокосцеплений, а выход амплитудного модулятора 9

через фильтр 11.соединен со вторым входом блока 12, Вторые управляющие входы амплитудных модуляторов 8 и.9 подключены соответственно к выходам широтно-импульсных модуляторов 6 и 7 Цифроаналоговые-преобразователи 13 и 14 своими выходами подключены ко входам суммирующего усилителя 15 мощности, выход которого соединен со входом блока -16 вычисления скольжения и напряжения генератора. Аналоговые входы цифроаналоговых преобразователей 13 и 14подключены к выходам блока 12 вьачисления потокосцеплений, а цифровые их входы соединены с первым и вторым выходами делителя 3 частоты. Третий и четвертый выходы делителя 3 частоты соответственно через первый и второй формирователи 4 и 5 подключены .ко входам широтно-импульсных модуляторо 6 и 7. Вход делителя 3 частоты соединен с выходом сумматора 2 частот. Сумматор 2 частот содержит двоичный счетчик с переменным коэффициентом деления, который задается логическими элементами. Делитель 3 частоты состоит из двух счетчиков, первый из которых является шестиразрядным реверсивным двоичным счетчиком и управляет работой цифроаналоговых преобразователей 13 и 14, а второй счетчик имеет 8 двоичных разрядов и работает без реверса. Первые два выход делителя 3 частоты являются выходами реверсивного Счетчика, а два других его выхода - выходами нереверсивного счетчика, которые.через формировател 4 и 5 подключены к широтно-импульсным модуляторам 6 и 7. Формирователи 4 и 5 служат для преобразования, однополярных прямоугольных импульсов, поступающих с делителя 3 частоты, в двухполярные, причем амплитуда положительных и отрицательных импульсов задается равной и неизменной.

В широтно-импульсных модуляторах 6 и 7 используется принцип модуляции входным напряжением ширины высокочастотных пилообразных импульсов.

Амплитудные модуляторы 8 и 9 представляют собой электронные клю чи коммутации аналоговых.сигналов.

Фильтры 10 и 11 служат для выделения постоянной составляющей сигнала и - построены с использованием активных элементов (операционных усилителей).

Блок 12 вычисления потокосцеплений 12 выполнен в виде схемы замещения контуров моделируемой электрической, машины на резисторах и конденсаторах. Блок 12 содержит операционные усилители 20-22, резисторы 26-27, кр.нденса-трры 41-43. При моделировании синхронной электр.ической машины- через резистор 36 на вход усилителя 20 подключается источник напряжения , величина которого

пропорциональная напряжению Of обмотки ротора. С помощью одинаковы резисторов35 и 36 устанавливается величина, пропорциональная активному сопротивлению обмотки ротора. С помощью усилителя 20 его входных резисторов и элементов обратной связи, вычисляется величина потокосцепления ротора Pf . Резисторы 2629 и конденсатор 42 образуют схему замещения электрической машины .по продольной (d) оси ротора,а резисторы 31-33 и конденсатора 43 образуют схему замещения по поперечной (д) оси ротора, причем величина индуктивного, сопротивления рассеяния статора х,- устанавливается резисторами 27 и 31, величина индуктивного сопротивления рассеяйия ротора-- резисторами 28 и 33, величина индуктиного сопротивления рассеяния успокоительных контуров по продольной оси - резистором.26, по поперечной оси - резистором 32.Активное сопротивление успокоительных контуров учитывается с помощью конденсаторов 42 и 43. Равенство по величине резисторов 29 и 30, а также .33 и 34 обеспечивает работу усилителей 21 и 22 в режиме инверторов, на выходах которых напряжения соответствуют потенциалам в средней точке схем замещения по продольной и поперечной осям ротора. Величины резисторов 29 и 33 соответственно пропорциональны сопротивлению взаимоиндукции обмоток статора и ротора по продольной и поперечной осям. Зсли на резисторы 27 и 31 поступают напряжения, пропорциональные соответственно проекциям напряжения статора электрическо.й машины на поперечную и продольную оси ротора, то на выходах усилителей 21 н 22 вычисляются напряжения, пропорциональные потокосцеплениго в воздушном зазоре между статором и ротором вдоль продольной и поперечной оси ротора. Поэтому блок 12 является блоком вычисления потокосцеплений электрической машины.

Блок 16 вычисления скольжения и напряжен11я электрической машины содержит операционные усилители 18 и 19, преобразователь 23 мощности, трансформатор 24 резисторы 25,./38 и 39, конденсатор 46, катушйу индуктивности 44 или ее эквивалентную схему моделирования, ключ 45 и блок управления 46.

. Величина индуктивного сопротивления катушки 44 выбирается пропорциона ьной величине сопротивления рассеяния обмотки статора. Усилитель 18, трансформатор 24 и резистор 26 служат для измерения выходного тока устройства, пропорционального току статора электрической машины. В преобразователе 23 мощности получается напряжение,, пропорциональное электромагнитному моменту на валу машины, причем через резистор 39 на вход усилителя 19 подается напряжение, пропорциональное механическому моменту на валу.. В зависимости от знака последнего напряжения электрическая машина работает в режиме генератора или двигателя. На выхбде усилителя 19 вычисляется величина, пропорцио0нальная скольжению электрической машины. С помощью ключа 45 и блока 46 управления с опорным напряжением Uon по одному из его входов на выходе усилителя 19 получаются импульсы,

5 частота следования которых пропорциональна величине скольжения. На втором выходе блока 16, подключенном ко входу усилителя 17, вычисляется напряжение Ог пропорциональное на0пряжение статора электрической машины,

Устройство работает следующим образом.

Прямоугольйые импульсы со стабильной, частотой f(j (например, , 4,096 МГц) от генератора 1 стабиль5ной частоты поступают на вход сумматора 2 частот, на другой вход которого поступают импульсы от блока 16 вычисления скольжения и напряжения генератора, которые управляют коэф0фициентом пересчета двоичного счетчика, входящего в состав сумматора 2 частот. При отсутствии импульсов от блока 16 коэффициент пересчета этого счетчика постоянен. Например,

5 если его величина равна 32, то на выходе сумматора частот частота импульсов равна 128 кГц. Эти импульсы поступают на вход шестиразрядного реверсивного счетчика делителя 3

0 частоты, с .выходов которого производится управление электронными ключами в цифроаналоговых преобразователях 13 и 14, а также на вход восьмиразрядного счетчика, выходы которого через формирователи 4 и 5 подключены

5 к широтно-импульсным модуляторам 6 и 7. На входах широтно-импульсных модуляторов действуют прямоугольные двухполярные импульсы, с основной частотой модели (например, 50 Гц).

0 Эти импульсы, стабилизированные по амплитуде и взаимно сдвинутые на 90, управляют скважностью выходных импульсов широтно-импульсных Модуляторов 6 и 7 поступающих на амплитуд5ные модуляторы 8 и 9. С помощью амплитудных модуляторов 9 и 8 производится проектирование выходного напряжения устройства на условные продольную (d) и поперечную (д) оси ротора. На выходах фильтров 10 и 11

0 выделяются постоянные напряжения, соответствующие проекциям напряжения статора на продольную, и поперечную оси ротора. Эти напряжения поступают в блок 12 вычисления потокосцепления.

5

где с учетом напряжения обмотки возбуждения синхронного генератора Uf проиэводитсй вычисление напряжений, соответствующих проекциям потокосцеплений воэдущного зазора на продольную и поперечную оси ротора. В цифроаналоговых преобразователях 13 и 14 производится преобразование этих напряжений в ступенчатые: двухполярные напряжения, форма которых близка к синусоидальной. Синусоида формируется из элементарных участко Длительность каждого из участков задается частотой fg, поступающей на вход шестиразрядного двоичного реверсивного счетчика, входящего в состав делителя 3 частоты. Например при f .128 кГц число участков равно 256, причем на участке от О - -5счетчик работает на суммирование импульсов до заполнения, а затем происходит реверс. На участке от до IT он работает на вычитание, и в момент достижения им нулевого состояния производится переключение знака напряжения на аналоговом входе цифроаналоговых преобразователей 13 или 14 на обратный. Осуществляется реверс счетчика на суммирование импульсов, причем процесс формирования синусоиды повторяется

уже для. отрицательной ее полуволны С выходов цифроаналоговых преобра- зователей взаимно сдвинутые по фазе на 90 (синусоидальные) напряжения поступают на суммирующий усилитель 15 мощности, где производится их сложениеи усиление по мощности. На выходе суммирующего усилителя. 15 мощности получается синусоидальное напряжение, соответствующее ЭДС Е.$ электрической машины за сопротивлением рассеяния статорных обмоток. При воспроизведении возмущений во внешней сети (включение и отключение нагрузок, короткие замыкания и т.д.) величина напряжения U и его фаза на выходе устройства изменяются. Вследствие этого, происходит изменен-ие величины скольжения, получаемые в блоке 16 вычисления скольжения и напряжения электрическ машины и изменение частоты импульсов на выходе этого блока.На выходе cy мaтopa 2 частот и делителя 3 частоты импульсов также изменяется. Напряжения, соответствующие проекциям потокосцеплений воздушного зазора на продольную и поперечную оси ротора, получаемые в блоке 12 вычисления потокосцеплений, изменяются. Амплитуда и фаза синусоидальных напряжений на выходах цифроаналоговых преобразователей 13 и 14 также меняются, что приводит к изменению амплитуды и фазы напряжения Е( на выходе суммирующего усилителя 15 мощности, соответствующ.его ЭДС машины за сопротивлением рассеяния обмотки статора. Величина тока, выдаваемого устройством во внешнюю сеть, изменяется, что опять приводит к изменению скольжения. Величина скольжения, пропорциональная абсолютной скоростИ ротора машины, после ряда качаний возвращается к нулевому значению, что соответствует сохранению устойчивости, либо увеличивается до ограничения, что свидетельствует о неустойчивости переходного режима и возможности возникновения аварии после данного возмущения.

Применение цифроаналоговых преобразователей 13 и 14 совместно с делителем 3 частоты и формирователями 4 и 5 позволяет уменьшить погрешности при вычислении переходных режимов электрических машин, а также установившихся режимов с частотой, отличной от номинальной и повысить быстродействие устройства.

Формула изобретения

Устройство для моделирования синхронного генератора, содержащее генератор импульсов, выход которого подключен к первому входу сумматора второй вход которого соединен с первым выходом блока вычисления скольжения, второй выход которого является выходом устройства и через усилитель подключен к первым входам амплитудных модуляторов, выходы которы через фильтры -соединены со входами блока вычисления потокосцеплений, широтно-импульсные модуляторы, выходы которых подключены ко вторым входам амплитудных модуляторов, о тличающеес я тем, что, с целью повышения точности, в устройство введены .суммирующий усилитель мощности, формирователи импульсов, цифроаналоговые преобразователи и делитель частоты, вход которого соединен с выходом сумматора, прямой и инверсный выходы первой труппы выходов делителя частоты через формирователи импульсов подключены ко входам широтно-импульсных модуляторов, прямой и инверсный выходы втор группы входов делителя частоты соединены с первыми входами цифроаналоговых преобразователей, вторые входы которых подключены к выходам блока вычисления потокосцеплений, выходы цифроаналоговых преобразователей соединены со входами суммирующего усилителя мощности,выход которого подключен ко входу блока вычисления скольжения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 602965, кл. G 06 G 7/62, 1974.

2.Авторское свидетельство СССР

№ 484531, кл. G 06 G 7/62,1973 (прототип) .

Чг

16

нех