УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРЕХФАЗНОГО МНОГООБМОТОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Изобретение относится к области моделирования объектов электрических систем и может быть использовано для воспроизведения реального непрерывного спектра нормальных и анормальных процессов в трехфазном многообмоточном трансформаторе. Основным назначением заявляемого устройства является его применение в специализированных многопроцессорных программно-технических системах гибридного типа, предназначенных для всережимного моделирования в реальном времени электроэнергетических систем.

Известно устройство для моделирования трансформатора [Авторское свидетельство СССР №369584, МПК G06G 7/62, опубл. 08.11.1973], содержащее измерительные трансформаторы тока и напряжения, выходные трансформаторы, линейные модуляторы, усилители напряжения и тока. Первый линейный модулятор, управляющий вход которого подключен к управляющему входу второго линейного модулятора, соединен через усилитель напряжения со вторичной обмоткой первого выходного трансформатора. Второй линейный модулятор, подключенный ко вторичной обмотке измерительного трансформатора тока, соединен через усилитель тока со вторичной обмоткой второго выходного трансформатора. Вход первого линейного модулятора соединен со вторичной обмоткой измерительного трансформатора напряжения.

Недостатком этого устройства является невозможность использования компьютерной техники для автоматизированного и автоматического управления параметрами моделируемого элемента, а также отображения результатов моделирования.

Известна модель трансформатора [Авторское свидетельство СССР №855684, МПК G06G 7/62, опубл. 15.08.1981], содержащая блок моделирования входного напряжения трансформатора, блок моделирования входного тока и датчик тока. Вход блока моделирования выходного напряжения трансформатора является входом устройства, а выход блока моделирования выходного напряжения трансформатора через датчик тока подключен к выходу устройства. Информационный выход датчика тока соединен со входом блока моделирования выходного тока, выход которого подключен ко входу блока моделирования выходного напряжения трансформатора. Блок моделирования выходного напряжения трансформатора содержит последовательно соединенные первый повторитель напряжения, кодоуправляемый преобразователь коэффициента передачи и второй повторитель напряжения. Вход первого и выход второго повторителей напряжения являются соответственно входом и выходом блока моделирования выходного напряжения трансформатора. Блок моделирования выходного тока содержит кодоуправляемый преобразователь коэффициента передачи, информационный вход которого является входом блока моделирования выходного тока, а выход соединен со входом усилителя тока, выход которого является выходом блока моделирования выходного тока. Управляющие входы кодоуправляемых преобразователей коэффициента передачи являются управляющими входами модели.

Недостатками устройства являются: неучет кривой намагничивания и схем соединения обмоток трансформатора; невозможность автоматизированного и автоматического управления параметрами моделируемого объекта; невозможность отображения результатов моделирования.

Наиболее близким принятым за прототип является устройство для моделирования трансформатора [Авторское свидетельство СССР №439825, МПК G06G 7/62, опубл. 15.08.1974], содержащее резисторы, дроссели, источники тока и вычислительный блок. Выход первого источника тока подключен к первому и второму резисторам, первому дросселю и к первому входу вычислительного блока. Выход второго источника тока подключен к первому резистору и второму дросселю и ко второму входу вычислительного блока. Выход третьего источника тока соединен со вторым дросселем и третьим входом вычислительного блока. Выходы вычислительного блока подключены к соответствующим входам источников тока, соединенных с шиной нулевого потенциала.

Недостатком данного устройства является неучет схем соединения обмоток трансформатора и кривой намагничивания. К другим недостаткам устройства можно отнести сложность точного задания параметров схемы замещения, реализуемых физическими элементами, а также отсутствие возможности автоматизированного и автоматического управления параметрами моделируемого трансформатора и отображения результатов моделирования с использованием компьютерных средств.

Все перечисленные аналоги не позволяют моделировать трехфазные и многообмоточные трансформаторы.

Задачами изобретения являются повышение точности моделирования трансформатора, а также реализация возможностей: моделирования трехфазного многообмоточного трансформатора; автоматизированного и автоматического изменения параметров моделируемого трансформатора; отображения результатов моделирования на персональном компьютере.

В заявленном устройстве для моделирования трехфазного многообмоточного трансформатора так же, как в прототипе, содержится вычислительный блок.

Поставленные задачи решены за счет того, что согласно изобретению цифровой вход вычислительного блока соединен с цифровым входом-выходом блока микропроцессоров, с цифровым входом-выходом блока многоканального аналого-цифрового преобразования, с цифровыми входами блоков цифроуправляемой продольной коммутации и блоков цифроуправляемой поперечной коммутации. Другой цифровой вход-выход блока микропроцессоров подключен к персональному компьютеру/серверу. К выходам вычислительного блока подключены блок многоканального аналого-цифрового преобразования и 3n преобразователей напряжение-ток, количество которых определяется в зависимости от числа n, причем n≥2, обмоток моделируемого трансформатора. При этом выходы каждой группы из трех пофазно установленных преобразователей напряжение-ток подключены к входам вычислительного блока, входам соответствующих блоков цифроуправляемой продольной коммутации и входам цифроуправляемой поперечной коммутации. Входы-выходы блоков цифроуправляемой продольной коммутации являются фазными входами-выходами устройства.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства для моделирования трехфазного многообмоточного трансформатора.

На фиг.2 изображена структурная схема вычислительного блока.

Устройство для моделирования трехфазного многообмоточного трансформатора (фиг.1) содержит вычислительный блок 1 (ВБ), цифровой вход которого соединен с цифровым входом-выходом блока микропроцессоров 2 (БМ), с цифровым входом-выходом блока многоканального аналого-цифрового преобразования 3 (БМАЦП), с цифровыми входами блоков цифроуправляемой продольной коммутации 4 (БЦПрК₁) и 5 (БЦПрК_n) и блоков цифроуправляемой поперечной коммутации 6 (БЦПоК₁) и 7 (БЦПоК_n), количество которых соответствует числу n, причем n≥2, обмоток трансформатора. Блок микропроцессоров 2 (БМ) подключен к персональному компьютеру/серверу по компьютерной сети (на фиг.1 не показан). К выходам вычислительного блока 1 (ВБ) подключены преобразователи напряжение-ток 8 (ПНТ₁), 9 (ПНТ₂), 10 (ПНТ₃), 11 (ПНТ_3n-2), 12 (ПНТ_3n-1), 13 (ПНТ_3n) и блок многоканального аналого-цифрового преобразования 3 (БМАЦП). Выходы преобразователей напряжение-ток 8 (ПHT₁), 9 (ПНТ₂) и 10 (ПНТ₃) подключены к входам вычислительного блока 1 (ВБ) и к входам блоков цифроуправляемой продольной 4 (БЦПрК₁) и поперечной 6 (БЦПоК₁) коммутаций. Выходы преобразователей напряжение-ток 11 (ПНТ_3n-2), 12 (ПНТ_3n-1), 13 (ПНТ_3n) подключены к входам блоков цифроуправляемой продольной 5 (БЦПpК_n) и поперечной 7 (БЦПoК_n) коммутаций и к соответствующим входам вычислительного блока 1 (ВБ). Входы-выходы блоков цифроуправляемой продольной коммутации 4 (БЦПpК₁) и 5 (БЦПpК_n) являются фазными входами-выходами устройства.

Вычислительный блок 1 (ВБ) устройства (фиг.2) содержит блок реализации уравнений фазы А 14 (БРУФ А), в состав которого входят блоки реализации уравнения магнитосвязанных потоком данной фазы контуров 15 (БРУМПК₁) и 16 (БРУМПК_3n-2), блок реализации уравнения баланса магнитодвижущих сил и кривой намагничивания 17 (БРУБМС и КН). Выходы блоков реализации уравнения магнитосвязанных потоком данной фазы контуров 15 (БРУМПК₁) и 16 (БРУМПК_3n-2) соединены с входом блока реализации уравнения баланса магнитодвижущих сил и кривой намагничивания 17 (БРУБМС и КН) и входами блока многоканального аналого-цифрового преобразования 3 (БМАЦП). Блок реализации уравнения магнитосвязанных потоком данной фазы контуров 15 (БРУМПК₁) соединен с преобразователем напряжение-ток 8 (ПНТ₁). Блок реализации уравнения магнитосвязанных потоком данной фазы контуров 16 (БРУМПК_3n-2) связан с преобразователем напряжение-ток 11 (ПНТ_3n-2). Входы блоков реализации уравнения магнитосвязанных потоком данной фазы контуров 15 (БРУМПК₁) и 16 (БРУМПК_3n-2) соединены с выходом блока реализации уравнений баланса магнитодвижущих сил и кривой намагничивания 17 (БРУБМС и КН) и выходами блока формирования фазных напряжений с учетом схемы соединения обмоток 18 (БФФН), эти же выходы которого связаны с входами блока многоканального аналого-цифрового преобразования 3 (БМАЦП). Другой выход блока реализации уравнения баланса магнитодвижущих сил и кривой намагничивания 17 (БРУБМС и КН) соединен с входом блока многоканального аналого-цифрового преобразования 3 (БМАЦП). Цифровые входы блоков реализации уравнения баланса магнитодвижущих сил и кривой намагничивания 17 (БРУБМС и КН), реализации уравнения магнитосвязанных потоком данной фазы контуров 15 (БРУМПК₁) и 16 (БРУМПК_3n-2) и формирования фазных напряжений с учетом схем соединения обмоток 18 (БФФН) соединены с входом-выходом блока микропроцессоров 2 (БМ). Входы блока формирования фазных напряжений с учетом схем соединения обмоток 18 (БФФН) связаны с выходами преобразователей напряжение-ток 8 (ПНТ₁), 9 (ПНТ₂), 10 (ПНТ₃), 11 (ПНТ_3n-2), 12 (ПНТ_3n-1) и 13 (ПНТ_3n). Блоки реализации уравнений фазы В 19 (БРУФ В) и блок реализации уравнений фазы С 20 (БРУФ С) имеют структуру, аналогичную блоку реализации уравнений фазы А 14 (БРУФ А). Блок реализации уравнений фазы В 19 (БРУФ В) связан с блоком формирования фазных напряжений с учетом схем соединения обмоток 18 (БФФН), блоком многоканального аналого-цифрового преобразования 3 (БМАЦП), а также преобразователями напряжение-ток 9 (ПНТ₂) и 12 (ПНТ_3n-1). Блок реализации уравнений фазы С 20 (БРУФ С) связан с блоком формирования фазных напряжений с учетом схем соединения обмоток 18 (БФФН), блоком многоканального аналого-цифрового преобразования 3 (БМАЦП), а также преобразователями напряжение-ток 10 (ПНТ₃) и 13(ПНТ_3n).

Блок микропроцессоров 2 (БМ) реализован с помощью микропроцессоров LPC2368FBD100. Блок многоканального аналого-цифрового преобразования 3 (БМАЦП) - с помощью аналого-цифровых преобразователей МАХ1324ЕСМ+. Все преобразователи напряжение-ток 8 (ПНТ₁), 9 (ПНТ₂), 10 (ПНТ₃), 11 (ПНТ_3n-2), 12 (ПНТ_3n-1), 13 (ПНТ_3n) реализованы микроэлектронными преобразователями напряжение-ток AD534KDZ. Блоки цифроуправляемой продольной коммутации 4 (БЦПpК₁) и 5 (БЦПpК_n) и блоки цифроуправляемой поперечной коммутации 6 (БЦПoК₁) и 7 (БЦПoК_n) реализованы с помощью цифроуправляемых аналоговых ключей, варьируя положением которых можно осуществлять все виды коммутаций и несимметрий, а также цифроуправляемых сопротивлений, с помощью которых реализуются сопротивления шунтов выключателей и переходные сопротивления замыканий. Использованы цифроуправляемые аналоговые ключи МАХ4661 и цифроуправляемые сопротивления AD5443. Блоки реализации уравнения магнитосвязанных потоком данной фазы контуров 15 (БРУМПК₁) и 16 (БРУМПК_3n-2), блок реализации уравнений баланса магнитодвижущих сил и кривой намагничивания 17 (БРУБМС и КН), а также аналогичные блоки, содержащиеся в блоках реализации уравнений фазы В 19 (БРУФ В) и реализации уравнений фазы С 20 (БРУФ С), и блок формирования фазных напряжений с учетом схемы соединения обмоток 18 (БФФН) имеют цифроаналоговую структуру, позволяющую осуществлять неявное непрерывное интегрирование дифференциальных уравнений трехфазного многообмоточного трансформатора, приведенных ниже. В частности, упомянутые блоки реализованы с помощью следующих микроэлектронных компонентов: цифроаналоговых преобразователей AD 5443, операционных усилителей ОР 2177, цифроуправляемых аналоговых ключей МАХ4661.

Схемотехнические решения всех блоков устройства ориентированы на применение исключительно интегральной микроэлектронной элементной базы и возможность их дальнейшей более глубокой интеграции.

Устройство для моделирования трехфазного трансформатора работает следующим образом.

При включении напряжения питания на все цифровые входы блоков устройства поступают управляющие воздействия из блока микропроцессоров 2 (БМ), которые формируются непосредственно в этом блоке или передаются в данный блок с персонального компьютера по компьютерной сети. Начинается процесс непрерывного неявного интегрирования дифференциальных уравнений трехфазного многообмоточного трансформатора.

С помощью блока реализации уравнений фазы А 14 (БРУФ А) реализовано непрерывное решение дифференциальных уравнений фазы А. В частности, с помощью блоков реализации уравнения магнитосвязанных потоком данной фазы контуров 15 (БРУМПК₁) и 16 (БРУМПК_3n-2) решаются уравнения вида:

где W_An - число витков n-й обмотки фазы А;

Ф_A - значение основного магнитного потока фазы А;

L_An - индуктивность рассеивания n-й обмотки фазы А;

i_An - значение тока в n-й обмотке фазы А;

r_An - активное сопротивление n-й обмотки фазы А;

u_An - значение напряжения n-й обмотки фазы А.

На входы блоков реализации уравнения магнитосвязанных потоком данной фазы контуров 15 (БРУМПК₁) и 16 (БРУМПК_3n-2) поступают необходимые для решения переменные: магнитный поток Φ_A с выхода блока реализации уравнения баланса магнитодвижущих сил и кривой намагничивания 17 (БРУБМС и КН) и соответствующие фазные напряжения U_Al и U_An с выходов блока формирования фазных напряжений с учетом схем соединения обмоток 18 (БФФН). На выходах блоков реализации уравнения магнитосвязанных потоком данной фазы контуров 15 (БРУМПК₁) и 16 (БРУМПК_3n-2) соответственно формируются представленные напряжением фазные токи i_Al и i_An. Блоки реализации уравнения магнитосвязанных потоком данной фазы контуров 15 (БРУМПК₁) и 16 (БРУМПК_3n-2) содержат цифроаналоговые преобразователи, с помощью которых реализуются коэффициенты W_An, L_An, r_An уравнения (1). Управление цифроаналоговыми преобразователями осуществляется с помощью блока микропроцессоров 2 (БМ).

С помощью блока реализации уравнения баланса магнитодвижущих сил и кривой намагничивания 17 (БРУБМС и КН) реализовано следующее уравнение:

где F_Aµ - намагничивающая сила электромагнитной системы фазы А n-обмоточного трансформатора, определяемая кривой намагничивания

F_Aµ≡i_µA=f(Φ_A).

На вход блока реализации уравнения баланса магнитодвижущих сил и кривой намагничивания 17 (БРУБМС и КН) поступают фазные токи i_Al и i_An с соответствующих выходов блоков реализации уравнения магнитосвязанных потоком данной фазы контуров 15 (БРУМПК₁) и 16 (БРУМПК_3n-2). На выходе формируются величины: нелинейно пропорциональный току намагничивания магнитный поток Φ_A, который подается на входы блоков реализации уравнения магнитосвязанных потоком данной фазы контуров 15 (БРУМПК₁) и 16 (БРУМПК_3n-2) и вход блока многоканального аналого-цифрового преобразования 3 (БМАЦП), а также ток намагничивания i_µA, который подается на вход блока многоканального аналого-цифрового преобразования 3 (БМАЦП). Кривую намагничивания задают в блоке микропроцессоров 2 (БМ). Кривую намагничивания можно задавать таблично, а также с помощью кусочно-линейной или нелинейной аппроксимации, например:

где K_µ - коэффициент размерности, реализуемый при переходе к относительным единицам измерения;

p - показатель степени, принимаемый, как правило, р=3 или р=5, хотя наиболее эффективная аппроксимация нелинейной зависимости F_Aµ≡i_µA=f(Φ_A) достигается при нецелых значениях р.

С помощью блока микропроцессоров 2 (БМ), на основе заданной кривой намагничивания, управляется цифроаналоговый преобразователь блока реализации уравнения баланса магнитодвижущих сил и кривой намагничивания 17 (БРУБМС и КН), реализующий коэффициент нелинейной зависимости тока намагничивания и магнитного потока.

С помощью блоков реализации уравнений фазы В 19 (БРУФ В) и реализации уравнений фазы С 20 (БРУФ С) аналогично реализовано непрерывное решение дифференциальных уравнений фаз В и С соответственно.

Входными переменными блока реализации уравнений фазы В 19 (БРУФ В) являются фазные напряжения U_B1 и U_Bn, а выходными - фазные токи i_B1 и i_Bn, магнитный поток Φ_B и ток намагничивания i_µB.

Входными переменными блока реализации уравнений фазы С 20 (БРУФ С) являются фазные напряжения U_C1 и U_Cn, а выходными - фазные токи i_C1 и i_Cn, магнитный поток Φ_C и ток намагничивания i_µC.

Блок формирования фазных напряжений с учетом схем соединения обмоток 18 (БФФН) является общим для блоков реализации уравнений фазы А 14 (БРУФ А), реализации уравнений фазы В 19 (БРУФ В) и реализации уравнений фазы С 20 (БРУФ С). Мгновенные значения фазных напряжений поступают на входы блока формирования фазных напряжений с учетом схем соединения обмоток 18 (БФФН) с выходов преобразователей напряжение-ток 8 (ПНТ₁), 9 (ПНТ₂), 10 (ПНТ₃), 11 (ПНТ_3n-2), 12 (ПНТ_3n-1), 13 (ПНТ_3n). С помощью блока микропроцессоров 2 (БМ) осуществляется управление аналоговыми ключами блока формирования фазных напряжений с учетом схемы соединения обмоток 18 (БФФН). В зависимости от положения этих ключей формируются переменные фазных напряжений на выходах блока формирования фазных напряжений с учетом схемы соединения обмоток 18 (БФФН).

В итоге, формируемые на фазных выходах вычислительного блока 1 (ВБ) представленные напряжением математические переменные фазных токов с помощью преобразователей напряжение-ток 8 (ПНТ₁), 9 (ПНТ₂), 10 (ПНТ₃), 11 (ПНТ_3n-2), 12 (ПНТ_3n-1), 13 (ПНТ_3n) преобразуются в модельные физические токи. Использование модельных физических токов позволяет адекватно осуществлять всевозможные продольные и поперечные коммутации при помощи соответствующих блоков цифроуправляемой продольной 4 (БЦПpК₁) и 5 (БЦПpК_n) и поперечной 6 (БЦПoК₁) и 7 (БЦПoК_n) коммутаций. С помощью этих же блоков можно подключать внешние моделирующие устройства. Управление состояниями цифроуправляемых аналоговых ключей и цифроуправляемых сопротивлений блоков цифроуправляемой продольной 4 (БЦПpК₁) и 5 (БЦПpК_n) и поперечной 6 (БЦПoК₁) и 7 (БЦПoК_n) коммутаций осуществляется блоком микропроцессоров 2 (БМ).

Результаты непрерывного решения уравнений математической модели трехфазного многообмоточного трансформатора поступают из вычислительного блока 1 (ВБ) в блок многоканального аналого-цифрового преобразования 3 (БМАЦП), оцифрованная информация из этого блока поступает в блок микропроцессоров 2 (БМ), а из него по компьютерной сети в персональный компьютер.

За счет предложенной конструкции заявленное устройство, по сравнению прототипом, имеет расширенные функциональные и информационные возможности моделирования трансформатора, так как позволяет моделировать трехфазные многообмоточные трансформаторы, а также автоматизировано и автоматически изменять параметры моделируемого трансформатора и отображать результаты моделирования на персональном компьютере. Высокая точность заявляемого устройства обеспечивается применением неявного непрерывного интегрирования дифференциальных уравнений, которое исключает методическую ошибку, а также учетом схем соединения обмоток трансформатора и кривой намагничивания и ввиду использования аналого-цифрового и цифроаналогового преобразований и цифрового управления параметрами моделируемого трансформатора.