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.

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 i_{s A,B,С} в обмотках машины переменного тока измеряются с помощью датчиков тока 1 и преобразуются в двухфазную систему токов i_{S ,} в неподвижной системе координат a, с помощью преобразователя числа фаз 4. После фильтрации токов i_{S ,} 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 r_s относительное сопротивление обмотки статора.

Система токов i_{S ,} с выхода преобразователя числа фаз 4, представленная в неподвижной системе координат a,, преобразуется с помощью преобразователя поворота вектора 11 в систему токов i_{s 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 i_{s x,y} поступают на входы электронной модели 7 машины переменного тока, на выходах которой формируются сигналы электромагнитного момента М и составляющих потокосцепления j_{S 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 j_{S ,} 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 w_к 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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6