СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ


RU (11) 2074394 (13) C1

(51) 6 G01P3/46, G01L5/00, G01R33/02, H02P5/402 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(14) Дата публикации: 1997.02.27 
(21) Регистрационный номер заявки: 94015575/07 
(22) Дата подачи заявки: 1994.04.27 
(45) Опубликовано: 1997.02.27 
(56) Аналоги изобретения: Слежановский О.В., Дацковский Л.Х. и др. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями.- М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 124 - 125, рис.3.8. Авторское сивдетельство СССР N 1439727, кл. H 02 P 7/42, 1987. 
(71) Имя заявителя: Акционерное общество открытого типа Научно- исследовательский институт электроэнергетики 
(72) Имя изобретателя: Вейнгер А.М.; Тикоцкий П.А. 
(73) Имя патентообладателя: Акционерное общество открытого типа Научно- исследовательский институт электроэнергетики 

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 

Использование. В системах автоматического управления электроприводом. Сущность. В способе измерения параметров электрической машины переменного тока измеряют токи и напряжения в обмотках машины, по которым вычисляют разные ЭДС, фильтруют их и сравнивают по фазе и амплитуде с фильтрованными ЭДС электронной модели, построенной по уравнениям машины во вращающейся системе координат. По результатам сравнения вычисляют угловую скорость и угловое положение. Вычисленное угловое положение используют в качестве углового положения вращающейся системы координат электронной модели, на выходе которой получают момент и потокосцепление. В результате обеспечивается повышение точности измерения. 2 с и 3 з.п.ф-лы. 6 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к электротехнике, в частности к частотнорегулируемым электроприводам, и может быть использовано для косвенного измерения параметров машины переменного тока, используемых в системе автоматического управления электроприводом, таких, как вектор потокосцепления, электромагнитный момент, скорость и угловое положение машины переменного тока.

Известен способ и устройство, его реализующее, в соответствии с которыми непосредственно измеряют потокосцепление машины переменного тока с помощью датчиков Холла, установленных в зазоре машины, а скорость и угловое положение с помощью датчиков, установленных на валу машины [1] Установка таких датчиков усложняет конструкцию электропривода и снижает его надежность.

Наиболее близким к изобретению в части способа является способ, в соответствии с которым непосредственно измеряют токи и напряжения обмоток машины переменного тока и используют их для вычисления фазных ЭДС, потокосцепления и момента, а скорость и угловое положение вала машины измеряют с помощью отдельных датчиков [2]

Устройство, реализующее указанный способ, содержит в частности датчики тока и напряжения обмоток электрической машины переменного тока, два преобразователя числа фаз, датчики на валу машины.

Указанное известное решение характеризуется конструктивной сложностью и низкой точностью измерения потокосцепления и момента, особенно в зоне низких скоростей.

Изобретение решает задачу повышения точности косвенного измерения параметров электрической машины переменного тока, таких, как вектор потокосцепления, электромагнитный момент, скорость и угловое положение с использованием при этом результатов непосредственного измерения токов и напряжений обмоток машины переменного тока.

Указанная цель достигается тем, что известный способ измерения параметров значений электрической машины переменного тока, при котором непосредственно измеряют токи и напряжения обмоток машины и используют их для вычисления фазных ЭДС машины, дополняют тем, что фильтруют фазные ЭДС машины, измеренные токи обмоток машины используют для вычисления момента и составляющих вектора потокосцепления с помощью электронной модели, построенной по уравнениям магнитной цепи машины переменного тока во вращающейся системе координат, преобразуют полученные составляющие потокосцепления в фазные ЭДС модели, одновременно их фильтруя, сравнивают по фазе полученные фильтрованные фазные ЭДС машины и модели и по результатам сравнения вычисляют угловую скорость и угловое положение, причем упомянутое угловое положение используют в электронной модели машины переменного тока в качестве углового положения вращающейся системы координат, а упомянутые момент, составляющие вектора потокосцепления, угловую скорость и угловое положение используют в качестве измеренных параметров машины переменного тока.

При этом обеспечивается более высокая точность измерения параметров машины переменного тока в сравнении с известным решением благодаря действию локальной следящей системы, обрабатывающей рассогласование по фазе между ЭДС машины и ЭДС модели.

Дополнительное повышение точности измерения параметров машины переменного тока обеспечивается тем, что фильтрованные фазные ЭДС машины и модели сравнивают также и по амплитуде и по результатам сравнения корректируют масштабный коэффициент преобразования потокосцепления в электронной модели машины переменного тока.

Устройство, реализующее предложенный способ, содержит датчики токов и напряжений обмоток машины переменного тока, два преобразователя числа фаз. В устройство введены электронная модель машины переменного тока с выходами момента и составляющих вектора потокосцепления, блок пассивных фильтров, блок сумматоров, блок фильтров, блок реальных дифференцирующих элементов, два преобразователя поворота вектора, каждый из которых выполнен с управляющим входом, блок сравнения с двумя группами входов и выходом по фазе, регулятор и интегратор, при этом входы блока пассивных фильтров подключены к выводам обмоток машины переменного тока, а выходы к входам соответствующих датчиков напряжения, выходы датчиков тока через первый преобразователь числа фаз подключены к входам первого преобразователя поворота вектора и входам блока фильтров, выходы датчиков напряжения через второй преобразователь числа фаз подключены к первой группе входов блока сумматоров, вторая группа входов которого подключена к выходам блока фильтров, выходы первого преобразователя поворота вектора подключены к входам электронной модели машины переменного тока, выходы которой с составляющими вектора потокосцепления подключены к входам второго преобразователя поворота вектора, подключенного выходами к входам блока реальных дифференцирующих элементов, выходы которого и выходы блока сумматоров подключены соответственно к первой и второй группам входов блока сравнения, выход по фазе которого через регулятор и интегратор подключен к управляющим входам преобразователей поворота вектора, при этом выходы электронной модели машины переменного тока по моменту и составляющим вектора потокосцепления образуют одноименные выходы устройства, а выходы регулятора и интегратора образуют соответственно выходы устройства по скорости и по угловому положению машины переменного тока.

Предлагаемое устройство в сравнении с известным проще по конструкции, надежнее и обеспечивает более точное косвенное измерение параметров машины переменного тока.

В устройство может быть введен дополнительный регулятор, электронная модель машины переменного тока снабжена дополнительным входом коррекции коэффициента преобразования потокосцепления, а блок сравнения снабжен дополнительным выходом по амплитуде, подключенным через упомянутый дополнительный регулятор к упомянутому дополнительному входу электронной модели машины переменного тока.

При использовании в качестве машины переменного тока синхронной машины с электромагнитным возбуждением электронная модель машины переменного тока снабжена дополнительным входом, предназначенным для подключения к выходу датчика тока возбуждения машины.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства, реализующего предложенный способ измерения параметров электрической машины переменного тока; на фиг. 2 пример выполнения электронной модели асинхронного двигателя; на фиг. 3 пример выполнения электронной модели неявнополюсного синхронного двигателя с электромагнитным возбуждением; на фиг.4 пример выполнения элемента сравнения по фазе и амплитуде; на фиг.5,6 векторные диаграммы для асинхронного и синхронного двигателей соответственно.

Способ измерения параметров электрической машины переменного тока реализуется устройством, функциональная схема которого представлена на фиг.1.

Устройство содержит датчики токов 1 и датчики напряжений 2 обмоток машины переменного тока 3, два преобразователя числа фаз 4 и 5, блок сумматоров 6, электронную модель 7 машины переменного тока с выходами момента и составляющими вектора потокосцепления, блок пассивных фильтров 8, блок фильтров 9, блок реальных дифференцирующих элементов 10, два преобразователя поворота вектора 11 и 12, каждый из которых выполнен с управляющим входом, блок сравнения по фазе и амплитуде 13 с двумя группами входов, выходом по фазе и выходом по амплитуде, два регулятора 14 и 15 и интегратор 16.

Входы блока пассивных фильтров 8 предназначены для подключения к выводам обмоток машины переменного тока 3, а выходы к входам соответствующих датчиков напряжения 2. Выходы датчиков тока 1 через первый преобразователь числа фаз 4 подключены к входам первого преобразователя поворота вектора 11 и входам блока фильтров 9, выходы датчика напряжения 2 через второй преобразователь числа фаз 5 подключены к первой группе входов блока сумматоров 6, вторая группа входов которого подключена к выходам блока фильтров 9.

Выходы первого преобразователя поворота вектора 11 подключены к входам электронной модели 7 машины переменного тока, выходы которой с составляющими вектора потокосцепления подключены к входам второго преобразователя поворота вектора 12, подключенного выходами к входам блока реальных дифференцирующих элементов 10, выходы которого и выходы блока сумматоров 6 подключены соответственно к первой и второй группам входов блока сравнения по фазе и амплитуде 13.

Выход по фазе упомянутого блока сравнения 13 подключен к входу первого регулятора 14, а выход по амплитуде к входу второго регулятора 15. Выход первого регулятора 14 через интегратор 16 подключен к управляющим входам преобразователей поворота вектора 11 и 12.

При этом выходы электронной модели 7 по моменту и составляющим вектора потокосцепления образуют одноименные выходы устройства, а выход первого регулятора 14 и выход интегратора 16 образуют соответственно выходы устройства по скорости и по угловому положению машины переменного тока.

При использовании в качестве машины переменного тока 3 синхронной машины с электромагнитным возбуждением электронная модель 7 машины переменного тока снабжена дополнительным входом, предназначенным для подключения к выходу датчика тока возбуждения 17 машины.

Преобразователи числа фаз 4 и 5 представляют собой стандартные узлы систем управления электропривода и выполняют тригонометрические преобразования трехфазных составляющих в двухфазные.

Преобразователи поворота вектора 11 и 12 (преобразователи координат) также представляют собой стандартные узлы систем управления электроприводами и выполняют преобразования составляющих вектора из одной системы координат в другую. Управляющий вход указанных преобразователей предназначен для подачи сигнала, характеризующего взаимное угловое положение преобразуемых систем координат.

На схемах и диаграммах фиг.2-6 использованы общепринятые для электрических машин и их моделей обозначения элементов, сигналов, параметров и их индексов: i,,M,e ток, потокосцепление, момент, ЭДС соответственно; r,x - активное и реактивное сопротивление; p оператор; Б базовая угловая частота; "1", "2"; ,;d,q- оси ортогональных систем координат; ,, углы; BA - векторный анализатор, формирующий по составляющим вектора модуль и тригонометрические функции sin,cos направляющего угла; НЗ нелинейный элемент, реализующий функцию i= (б) в соответствии с характеристикой двигателя; ПК преобразователь координат (преобразователь поворота вектора).

Устройство работает следующим образом.

Токи is A,B,С в обмотках машины переменного тока измеряются с помощью датчиков тока 1 и преобразуются в двухфазную систему токов iS , в неподвижной системе координат a, с помощью преобразователя числа фаз 4. После фильтрации токов iS , на выходах блока фильтров 9 получают фильтрованные сигналы токов , которые поступают на соответствующие входы блока сумматоров 6.

Входы датчиков напряжений 2 подключены к выходам блока пассивных фильтров 8, предназначенного для подключения к обмоткам машины переменного тока 3. На выходах указанных датчиков получают фильтрованные напряжения , которые преобразуют в двухфазную систему напряжений с помощью преобразователя числа фаз 5. Напряжения поступают на соответствующие входы блока сумматоров 6.

Передаточная функция пассивных фильтров в блоке 8 имеет вид:



где Б базовая угловая частота,

Т постоянная времени.

Такую же постоянную времени Т имеют и фильтры блока 9. Величина Т выбирается наибольшей из возможных, ее ограничение связано с требуемой амплитудой сигналов на выходах фильтров 8 в номинальном режиме.

На выходах блока сумматоров 6 формируются сигналы фильтрованных ЭДС машины переменного тока по следующим соотношениям:





где rs относительное сопротивление обмотки статора.

Система токов iS , с выхода преобразователя числа фаз 4, представленная в неподвижной системе координат a,, преобразуется с помощью преобразователя поворота вектора 11 в систему токов is x,y, представленную во вращающейся системе координат. При этом ориентация осей x,y вращающейся системы координат связана с конкретным типом машины. Для синхронного двигателя указанная ориентация может быть связана с ротором, для асинхронного двигателя с ротором или с вектором потокосцепления ротора.

Токи is x,y поступают на входы электронной модели 7 машины переменного тока, на выходах которой формируются сигналы электромагнитного момента М и составляющих потокосцепления jS x,y.

Пример выполнения модели асинхронного двигателя во вращающейся системе координат "1","2", связанной с вектором потокосцепления ротора, представлен на фиг.2, а соответствующая векторная диаграмма на фиг.5. Пример выполнения модели неявнополюсного синхронного двигателя с электромагнитным возбуждением во вращающейся системе координат, связанной с осями ротора, представлен на фиг.3, а соответствующая векторная диаграмма на фиг.6 [1,3]

Составляющие потокосцепления S x,y, представленные во вращающейся системе координат, преобразуются в составляющие S ,, представленные в неподвижной системе координат, с помощью преобразователя поворота вектора 12.

Полученные составляющие jS , поступают на входы реальных дифференцирующих элементов 10, имеющих передаточную функцию вида:



Сигналы на выходах элементов 10 представляют собой фильтрованные ЭДС модели.

В блоке сравнения 13 фильтрованные сигналы ЭДС машины и фильтрованные сигналы ЭДС модели сравниваются по фазе. Пример выполнения блока 13 представлен на фиг.4.

Составляющие ЭДС машины преобразуются с помощью векторного анализатора BA в амплитуду и направляющие угла cos, sin, а составляющие ЭДС модели в амплитуду и направляющие угла cos, sin.

В преобразователе координат ПК выполняется соотношение:



где в зоне малых рассогласований можно считать:

-sin .

Полученное на выходе рассогласование по фазе поступает на вход регулятора 14, выполненного, например, в виде пропорционально-интегрального звена. Выходной сигнал wк регулятора 14 используется как сигнал угловой скорости вращающейся системы координат.

После интегрирования указанного сигнала с помощью интегратора 15 получают сигнал, используемый в устройстве в качестве угла поворота к вращающейся системы координат. Указанный сигнал поступает на управляющие входы преобразователей поворота векторов 11 и 12. Благодаря этому реализуется замкнутая локальная следящая система, в которой обеспечивается с необходимой динамической точностью совпадение ЭДС машины и модели по фазе.

Повышение точности работы устройства связано с дополнительным согласованием ЭДС машины и модели по амплитуде. Для этого в блоке 13 производится сравнение амплитуд фильтрованных сигналов ЭДС машины и модели. Полученное при этом рассогласование e поступает на вход регулятора 15, выполненного также в виде пропорционально-интегрального звена. Выходной сигнал регулятора 15 поступает на дополнительный вход электронной модели 7 машины переменного тока, где используется для изменения масштабного коэффициента преобразования потокосцепления (фиг.2 и 3). Для этого используется множительный элемент, подключенный одним входом к выходу нелинейного элемента НЗ, а другим к дополнительному входу модели 7.

В случае применения в качестве машины переменного тока синхронного двигателя с электромагнитным возбуждением электронная модель 7 дополнительно подключается к выходу датчика 17 тока возбуждения (фиг.3).

Выходные сигналы электронной модели 7 M, S x,y, а также сигнал к с выхода регулятора 14 и сигнал с выхода интегратора 15 используются в качестве измеренных электромагнитного момента, составляющих вектора потокосцепления во вращающейся системе координат, угловой скорости и углового положения машины переменного тока.

Применение предложенного способа косвенного измерения параметров машины переменного тока обеспечивает в сравнении с известным способом повышение точности благодаря действию локальной следящей системы, отрабатывающей рассогласование по фазе и амплитуде между ЭДС машины и модели. Использование предложенного устройства в управляемом электроприводе обеспечивает упрощение его конструкции и повышение надежности работы. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Способ измерения параметров электрической машины переменного тока, при котором непосредственно измеряют токи и напряжения обмоток машины и используют их для вычисления фазных ЭДС машины, отличающийся тем, что фазные ЭДС машины фильтруют, измеренные токи обмоток машины используют для вычисления момента и составляющих вектора потокосцепления с помощью электронной модели, построенной по уравнениям магнитной цепи машины переменного тока во вращающейся системе координат, преобразуют полученные составляющие потокосцепления в фазные ЭДС модели, одновременно их фильтруя, сравнивают по фазе полученные фильтрованные фазные ЭДС машины и модели и по результатам сравнения вычисляют угловую скорость и угловое положение, причем упомянутое угловое положение используют в электронной модели машины переменного тока в качестве углового положения вращающейся системы координат, а упомянутые момент, составляющие вектора потокосцепления, угловую скорость и угловое положение используют в качестве измеренных переменных величин состояния машины переменного тока.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно сравнивают по амплитуде фильтрованные фазные ЭДС машины и модели и по результатам сравнения корректируют масштабный коэффициент преобразования потокосцепления в электронной модели машины переменного тока.

3. Устройство для измерения параметров электрической машины переменного тока, содержащее датчики токов и напряжений обмоток машины переменного тока, два преобразователя числа фаз, отличающееся тем, что введены электронная модель машины переменного тока с выходами момента и составляющих вектора потокосцепления, блок пассивных фильтров, блок сумматоров, блок фильтров, блок реальных дифференцирующих элементов, два преобразователя поворота вектора, каждый из которых выполнен с управляющим входом, блок сравнения с двумя группами входов и выходом по фазе, регулятор и интегратор, при этом входы блока пассивных фильтров подключены к выводам обмоток машины переменного тока, а выходы к входам соответствующих датчиков напряжения, выходы датчиков тока через первый преобразователь числа фаз подключены к входам первого преобразователя поворота вектора и входам блока фильтров, выходы датчиков напряжения через второй преобразователь числа фаз подключены к первой группе входов блока сумматоров, вторая группа входов которого подключена к выходам блока фильтров, выходы первого преобразователя поворота вектора подключены к входам электронной модели машины переменного тока, выходы которой с составляющими вектора потокосцепления подключены к входам второго преобразователя поворота вектора, подключенного выходами к входам блока реальных дифференцирующих элементов, выходы которого и выходы блока сумматоров подключены соответственно к первой и второй группам входов блока сравнения, выход по фазе которого через регулятор и интегратор подключен к управляющим входам преобразователей поворота вектора, при этом выходы электронной модели машины переменного тока по моменту и составляющим вектора потокосцепления образуют одноименные выходы устройства, а выходы регулятора и интегратора образуют соответственно выходы устройства по скорости и по угловому положению машины переменного тока.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что введен дополнительный регулятор, электронная модель машины переменного тока снабжена дополнительным входом коррекции коэффициента преобразования потокосцепления, а блок сравнения снабжен дополнительным выходом по амплитуде, подключенным через упомянутый дополнительный регулятор к упомянутому дополнительному входу электронной модели машины переменного тока.

5. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что при использовании в качестве машины переменного тока синхронной машины с электромагнитным возбуждением электронная модель машины переменного тока снабжена дополнительным входом, предназначенным для подключения к выходу датчика тока возбуждения.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru