Инструментальные блок-схемы электропривода

В моделях электрических машин и вспомогательных устройств электропривода встречаются повторяющиеся фрагменты блок-схем – интегратор угла и ротатор. Чёткое понимание назначения и особенностей применения этих блок-схем существенно облегчает восприятие моделей электропривода в целом.

Интегратор угла

Известна периодичность зависимости выходного значения от аргумента для трансцендентных функций sin и cos. Т.е. нет ни какой разницы, будет ли им передано в качестве аргумента какое-либо числовое значение, либо значение отличающееся на величину кратную 2π. Процедура вычисления выходной координаты интегратора угла учитывает эту особенность трансцендентных функций. Если интегратор угла, обрабатывая входной сигнал, накапливает значение выходящее за диапазон от 0 до 2π, то активируется процедура приведения значения к упомянутому диапазону.

Эксперимент № 1. Запустите модель представленную на интерактивном чертеже 1. Убедитесь в том, что выходная координата интегратора угла приводится к диапазону от 0 до 2π.

Эксперимент № 2. Проверьте, что изменение знака входного сигнала для интеграторов не влияет на границы диапазона, в котором вами уже был зафиксирован выходной сигнал интегратора угла.

Чертеж 1

Как инструментальная блок-схема, интегратор угла существует по той причине, что есть потребность в непрерывно вычисляемых дискретных моделях, обеспечивающих функционирование электропривода. Например, устройства развязки координат асинхронного векторного привода, в своей основе имеют программу для цифрового сигнального процессора (DSP), которая непрерывно интегрирует угловую скорость вала (вычисляя его угловое положение). Если бы эту задачу решал обычный программный интегратор, то его выходное значение увеличивалось бы непрерывно. По мере развития этого процесса понижалась бы точность вычислений (по причине вытеснения большим абсолютным значением значимого диапазона (0..2π) из мантиссы), а завершилось бы все перегрузкой мантиссы DSP.

Блок-схема представленная на чертеже 2 демонстрирует характерный для моделей электропривода способ использования интегратора угла и соответствующий результат. Здесь постоянный сигнал ползункового регулятора преобразуется интегратором угла с целью последующего синтеза ортогональных синусоидальных сигналов (ортогональный – он же перпендикулярный, т.е. имеющий девяностоградусный фазовый сдвиг).

Эксперимент № 1. Запустите модель представленную на чертеже 2. Перемещайте ползунковый регулятор. Убедитесь в том, что частота синтезируемого синусоидального сигнала регулируется плавно и она тем больше, чем больше значение на выходе ползункового регулятора. Остановите процесс симуляции.

Чертеж 2

Три задачи, решаемые ротатором

До сих пор, как типовой модуль используемый для построения моделей, ротатор не известен специалистам. Но он широко используется при построении самых разнообразных моделей. Блок-схема ротатора простая. Её редко инкапсулируют в составном блоке. В моделях встречаются полные блок-схемы ротатора, урезанные до половины, спаренные версии, двухфазные и трехфазные. Кроме того, ротатор может быть использован для решения трех непохожих задач. Поэтому специалисты редко воспринимают соответствующие блок-схемы как одну и ту же.

Хорошим примером использования ротаторов является модель асинхронного двигателя с фазным ротором. Известно, что частота токов в обмотке ротора во время пуска двигателя меняется от частоты сети до единиц Гц – частота вращения вала двигателя увеличивается, а частота вращения магнитного поля относительно обмотки ротора понижается. В модели двигателя ротатор должен синтезировать форму кривой тока ротора из опорного сигнала, в качестве которого выступает сеть и текущего значения угловой скорости вала. Решение этой задачи демонстрирует блок-схема представленная на чертеже 3. В правой верхней части чертежа можно видеть половину блок-схемы ротатора. В неё входят ортогональные источники опорного синусоидального сигнала (Re Ref и Im Ref, с частотой 5 Гц), два перемножителя и сумматор. Оставшаяся часть блок-схемы уже знакома по описанию инструментальной блок-схемы интегратора угла и предназначена для синтеза ортогональных синусоидальных сигналов регулируемой частоты.

Эксперимент № 1. Запустите модель представленную на чертеже 3. Перемещайте ползунковый регулятор. Убедитесь в том, что частота входного и выходного сигнала ротатора меняется "зеркально". Т.е. когда увеличивается частота входного сигнала – частота выходного уменьшается; и наоборот. Можно деактивировать режим авторестарта для модели, и, выполнив несколько симуляций при разных положениях движка регулятора, убедится в том, что сумма частот обрабатываемых сигналов всегда равна частоте опорного сигнала (1 Гц + 4 Гц = 5 Гц; 2 Гц + 3 Гц = 5 Гц; ...).

Чертеж 3

Правильное функционирование ротатора возможно лишь при использовании ортогональных источников сигнала (как входного, так и опорного). Это столь же неотъемлемое условие, как наличие минимум двух обмоток на статоре асинхронного двигателя для создания вращающегося магнитного поля. Вычислительные затраты хоть как-то окупаются тем, что можно получить ортогональную пару сигналов на выходе ротатора. Соответствующая полная версия ротатора представлена на чертеже 4.

Эксперимент № 1. Запустите модель представленную на чертеже 4. Перемещайте ползунковый регулятор. Убедитесь в том, что блок-схема работает аналогично представленной на чертеже 3, и в том, что выходные сигналы ортогональные.

Чертеж 4

Для решения задачи трансформации частот ротатор используется сравнительно редко. Другая решаемая ротатором задача – синтез ортогональных синусоидальных сигналов по вещественной и мнимой составляющим тока или напряжения (если речь о задачах электротехники). В качестве примера можно упомянуть устройства развязки координат асинхронного векторного привода, где вещественная составляющая тока статора, синтезируемого инвертером, позволяет управлять потокосцеплением ротора, а мнимая – частотой токов в нем.

Эксперимент № 1. Запустите модель представленную на чертеже 5. Перемещайте ползунковый регулятор. Убедитесь в том, что блок-схема синтезирует синусоидальные сигналы имеющие соответствующую амплитуду (5 ед) и начальную фазу (arctg(4/3) = 53°; 3 ед).

Чертеж 5

Последняя из решаемых ротатором задач – обратная предыдущей. Её суть состоит в построении трансформатора переменного сигнала в постоянный, т.е. в вычислении проекций синусоидального сигнала (вещественной и мнимой) на ортогональную систему координат генератора опорного сигнала.

Эксперимент № 1. Запустите модель представленную на чертеже 6. Перемещайте ползунковый регулятор. Убедитесь в том, что меняется начальная фаза входного сигнала ротатора, а на его выходах присутствуют постоянные сигналы – вещественная и мнимая составляющие.

Эксперимент № 2. В правой нижней части чертежа 6 расположен блок, который, в соответствии с теоремой Пифагора, вычисляет амплитуду сигнала по его проекциям (по вещественной и мнимой составляющим). Подключите этот блок к выходам ротатора и к осциллографу. Убедитесь в том, что его выходной сигнал соответствует амплитуде синусоидального сигнала на входах ротатора при любой начальной фазе.

Чертеж 6

Примечание. В модели обобщенной электрической машины (двухфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором) есть две половинки от полной версии ротатора. Одна вычисляет постоянный момент по синусоидальным токам статора. Другая вычисляет синусоидальные противоэдс в роторе по постоянной угловой скорости. В модели двухфазного асинхронного двигателя с фазным ротором количество половинок от полной версии ротатора – пять.

Ротаторы для моделей асинхронных машин

...

Чертеж 7

Чертеж 8

20.08.2008; 27.11.2010