способ управления тяговым синхронным электродвигателем, устройство для реализации этого способа и блок формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям

Формула изобретения

1. Способ управления тяговым синхронным электродвигателем с независимым возбуждением, заключающийся в том, что формируют заданные значения тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям в неподвижной относительно ротора ортогональной системе координат в функции поддержания коэффициента мощности равным или близким к единице, которые затем переводят в неподвижную относительно статора систему координат и формируют в обмотках машины с помощью системы частотно-токового управления, отличающийся тем, что вводят новую переменную, коэффициент связи, равную отношению продольной составляющей вектора потокосцепления статора к произведению текущего значения поперечной составляющей вектора тока статора на величину продольной составляющей полной индуктивности статора, определяют ее значение, обеспечивающее минимальные потери в меди машины при фиксированном моменте, и формируют заданные значения продольной составляющей вектора тока статора в виде отрицательного значения частного от деления произведения текущего значения поперечной составляющей вектора тока статора на величину поперечной составляющей полной индуктивности статора на произведение коэффициента связи на продольную составляющую полной индуктивности статора, а заданные значения тока возбуждения формируют в виде произведения текущего значения поперечной составляющей вектора тока статора на сумму двух слагаемых, первое из которых равно частному от деления произведения коэффициента связи и величины продольной составляющей полной индуктивности статора на величину продольной составляющей взаимной индуктивности обмоток статора и ротора, а второе слагаемое равно частному от деления величины поперечной составляющей полной индуктивности статора на произведение коэффициента связи и величины продольной составляющей взаимной индуктивности обмоток статора и ротора, при этом заданное значение поперечной составляющей вектора тока статора формируют в двигательном режиме в функции отклонения текущего значения выходного сигнала датчика положения педали акселератора от нулевого значения, а в тормозном - в функции отклонения текущего значения выходного сигнала датчика положения педали тормоза от нулевого значения, причем, если в любом из режимов работы текущее значение модуля вектора напряжения статора достигнет граничного значения, то монотонно уменьшают коэффициент связи в функции поддержания текущего значения модуля вектора напряжения статора на граничном уровне, если же текущее значение модуля вектора тока статора достигнет граничного значения, то монотонно увеличивают коэффициент связи в функции поддержания текущего значения модуля вектора тока статора на граничном уровне, в случае же, когда текущее значение развиваемой машиной мощности достигает предельно допустимую мощность бортовой аккумуляторной батареи, то монотонно уменьшают заданное значение поперечной составляющей вектора тока статора в функции поддержания развиваемой машиной мощности на предельно допустимом уровне для бортовой аккумуляторной батареи, при этом переход в двигательный режим производят при наличии выходного сигнала датчика положения педали акселератора и отсутствии выходного сигнала датчика положения педали тормоза, а переход в тормозной режим производят при наличии выходного сигнала датчика положения педали тормоза и любом значении выходного сигнала датчика положения педали акселератора.

2. Устройство управления тяговым синхронным электродвигателем с независимым возбуждением, содержащее датчик скорости, блок формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, подключенный через регулятор тока возбуждения к обмотке возбуждения, а через последовательно включенные блок преобразования координат, силовой преобразователь с частотно-токовой системой управления и датчики фазного тока к фазным обмоткам электродвигателя, и формирователь гармонических функций, механически связанный с ротором тягового синхронного электродвигателя и подключенный своими выходами ко вторым входам блока преобразования координат, отличающийся тем, что выходы датчиков положения педалей тормоза и акселератора подключены соответственно к первому и второму входам блока коммутации, выход которого подключен к первому входу блока формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, причем второй вход этого блока подключен к выходу датчика скорости, третьи входы подключены к выходам датчиков фазного напряжения, четвертые входы подключены к выходам датчиков фазного тока, пятый и шестой входы подключены к выходам формирователя гармонических функций, а управляющий вход блока коммутации подключен к выходу компаратора, вход которого подключен к выходу датчика положения педали тормоза, причем положительному выходному сигналу компаратора соответствует нижнее замкнутое состояние блока коммутации.

3. Блок формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, первый выход которого подключен ко входу регулятора тока возбуждения, а вторые выходы подключены к первым входам блока преобразования координат, отличающийся тем, что содержит блоки вычисления входной мощности, модуля вектора напряжения и тока статора, блок вычисления поперечной составляющей вектора тока статора, блок ограничения коэффициента связи, три блока суммирования, три блока сравнения, три пропорциональных регулятора, три блока масштабирования, блок задания постоянных сигналов, блок вычисления модуля, блок ограничения минимального значения, блоки деления и умножения, при этом выход блока вычисления входной мощности через первый блок сравнения и первый пропорциональный регулятор соединен с первым входом первого блока суммирования, второй вход которого является первым входом блока формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям и подключен к выходу блока коммутации, а его выход подключен к одному из вторых входов блока преобразования координат, выходы датчиков фазных напряжений статора через последовательно включенные блок вычисления модуля вектора напряжения, второй блок сравнения и второй пропорциональный регулятор подключены к первому входу второго блока суммирования, второй вход которого подключен к блоку задания постоянного сигнала, а третий вход через последовательно включенные третий пропорциональный регулятор, третий блок сравнения и блок вычисления модуля вектора тока статора связан с соответствующими выходами формирователя гармонических функций, выходами датчиков фазного тока статора и входами блока вычисления поперечной составляющей вектора тока статора, выход которого через блок вычисления модуля подключен к первым входам блоков деления и умножения, вторые входы которых через блок ограничения коэффициента связи подключены к выходу второго блока суммирования, причем второй вход блока ограничения коэффициента связи подключен к выходу датчика скорости, а выход блока деления через первый блок масштабирования подключен к одному из вторых входов блока преобразования координат, а через второй блок масштабирования - к первому входу третьего блока суммирования, второй вход которого через третий блок масштабирования соединен с выходом блока умножения, а выход третьего блока суммирования через блок ограничения минимального значения подключен ко входу регулятора тока возбуждения, при этом выходы блока задания постоянных сигналов подключены к соответствующим входам блоков сравнения, а входы блока вычисления входной мощности подключены к выходам блоков вычисления модулей векторов напряжения и тока статора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам управления тяговыми синхронными электродвигателями с независимым возбуждением в приводах транспортных средств.

Известны способ и устройства (патенты России №958158, кл. B 60 L 15/20, 1982 г.; №892632, кл. Н 02 Р 5/06, 1981 г.; №1534725. кл. Н 02 Р 5/06, 1990 г.), в которых обеспечивается идеальное использование электрической машины в основных режимах движения транспортного средства за счет регулирования потока независимой обмоткой возбуждения (зона работы с постоянством мощности).

Общим недостатком этих устройств является наличие коллекторного узла у электрической машины, что резко ухудшает энергетические и эксплуатационные показатели тягового электропривода.

Известно также устройство (патент России №1552334, кл. Н 02 Р 7/42, 1988 г.), в котором для тягового электропривода используется бесконтактная электрическая машина (асинхронный электродвигатель).

Недостатком этого устройства является отсутствие возможности независимого регулирования потока, что не позволяет реализовать режим работы машины с постоянством мощности и нулевым значением реактивного тока, так как cos f в данном случае принципиально не равен единице, поэтому ключевые элементы силового преобразователя необходимо выбирать на завышенный ток.

Известны способ и устройство (патент России №604112, кл. Н 02 Р 5/34, 1975 г.), управления синхронным электродвигателем с электромагнитным возбуждением, в котором возможно независимое регулирование потока и тока якоря.

Недостатком этого устройства является наличие контактных колец на роторе и отсутствие блока оптимизации режимов работы синхронной машины в условиях ограничения по току и напряжению питания для оптимального использования габаритной мощности синхронной машины и установленной мощности ключевых элементов силового преобразователя.

Известно так же устройство (патент России №2170487, кл. Н 02 К 19/22, 19/16, 2001 г.), в котором синхронная машина с электромагнитным возбуждением не имеет контактных колец и может работать как в генераторном, так и в двигательном режимах.

Недостатком этого устройства также является отсутствие блока оптимизации режимов работы синхронной машины в условиях ограничения по току и напряжению питания для оптимального использования габаритной мощности синхронной машины и установленной мощности ключевых элементов силового преобразователя.

Наиболее близким техническим решением является устройство (см. [1], стр. 104), в котором синхронная машина с электромагнитным возбуждением работает в частотно-токовой системе автоматического регулирования с номинальным потокосцеплением статора и коэффициентом мощности, равным или близким к единице, во всем диапазоне изменения нагрузок и регулирования скорости за исключением второй зоны (режим ослабления поля).

Недостатком этого устройства является работа с неизменным потокосцеплением статора, что не позволяет полностью использовать синхронную машину по мощности, максимально допустимому току и напряжению во всем диапазоне скоростей и нагрузок. Кроме того, не обеспечивается режим минимизации потерь, когда текущие значения скоростей и нагрузок могут быть реализованы не при предельных значениях тока и напряжения.

Решение технической задачи направлено на оптимизацию использования габаритной мощности электрической машины и установленной мощности ключевых элементов силового преобразователя.

Для решения поставленной технической задачи управления тяговым синхронным электродвигателем с независимым возбуждением формируют заданные значения тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям в неподвижной относительно ротора ортогональной системе координат в функции поддержания коэффициента мощности, равным или близким к единице, которые затем переводят в неподвижную относительно статора систему координат и формируют в обмотках машины с помощью системы частотно-токового управления, вводя при этом новую переменную, коэффициент связи, равную отношению продольной составляющей вектора потокосцепления статора к произведению текущего значения поперечной составляющей вектора тока статора на величину продольной составляющей полной индуктивности статора, определяют ее значение, обеспечивающее минимальные потери в меди машины при фиксированном моменте, и формируют заданные значения продольной составляющей вектора тока статора в виде отрицательного значения частного от деления произведения текущего значения поперечной составляющей вектора тока статора на величину поперечной составляющей полной индуктивности статора на произведение коэффициента связи на продольную составляющую полной индуктивности статора, а заданные значения тока возбуждения формируют в виде произведения текущего значения поперечной составляющей вектора тока статора на сумму двух слагаемых, первое из которых равно частному от деления произведения коэффициента связи и величины продольной составляющей полной индуктивности статора на величину продольной составляющей взаимной индуктивности обмоток статора и ротора, а второе слагаемое равно частному от деления величины поперечной составляющей полной индуктивности статора на произведение коэффициента связи и величины продольной составляющей взаимной индуктивности обмоток статора и ротора, при этом заданное значение поперечной составляющей вектора тока статора формируют в двигательном режиме в функции отклонения текущего значения выходного сигнала датчика положения педали акселератора от нулевого значения, а в тормозном - в функции отклонения текущего значения выходного сигнала датчика положения педали тормоза от нулевого значения, причем, если в любом из режимов работы текущее значение модуля вектора напряжения статора достигнет граничного значения, то монотонно уменьшают коэффициент связи в функции поддержания текущего значения модуля вектора напряжения статора на граничном уровне, если же текущее значение модуля вектора тока статора достигнет граничного значения, то монотонно увеличивают коэффициент связи в функции поддержания текущего значения модуля вектора тока статора на граничном уровне, в случае же, когда текущее значение развиваемой машиной мощности достигает предельно допустимую мощность бортовой аккумуляторной батареи, то монотонно уменьшают заданное значение поперечной составляющей вектора тока статора в функции поддержания развиваемой машиной мощности на предельно допустимом уровне для бортовой аккумуляторной батареи, при этом переход в двигательный режим производят при наличии выходного сигнала датчика положения педали акселератора и отсутствии выходного сигнала датчика положения педали тормоза, а переход в тормозной режим производят при наличии выходного сигнала датчика положения педали тормоза и любом значении выходного сигнала датчика положения педали акселератора.

Устройство управления тяговым синхронным электродвигателем с независимым возбуждением, реализующее данный способ, является оригинальным техническим решением, т.к. содержит датчик скорости, блок формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, подключенный через регулятор тока возбуждения к обмотке возбуждения а, через последовательно включенные блок преобразования координат, силовой преобразователь с частотно-токовой системой управления и датчики фазного тока к фазным обмоткам электродвигателя и формирователь гармонических функций, механически связанный с ротором тягового синхронного электродвигателя и подключенный своими выходами ко вторым входам блока преобразования координат, при этом выходы датчиков положения педалей тормоза и акселератора подключены соответственно к первому и второму входам блока коммутации, выход которого подключен к первому входу блока формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, причем второй вход этого блока подключен к выходу датчика скорости, третьи входы подключены к выходам датчиков фазного напряжения, четвертые входы подключены к выходам датчиков фазного тока, пятый и шестой входы подключены к выходам формирователя гармонических функций, а управляющий вход блока коммутации подключен к выходу компаратора, вход которого подключен к выходу датчика положения педали тормоза, причем положительному выходному сигналу компаратора соответствует нижнее замкнутое состояние блока коммутации.

Блок формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям является оригинальным техническим решением, т.к. подключен первым выходом ко входу регулятора тока возбуждения, а вторыми входами подключен к первым входам блока преобразования координат и содержит блоки вычисления входной мощности, модуля вектора напряжения и тока статора, блок вычисления поперечной составляющей вектора тока статора, блок ограничения коэффициента связи, три блока суммирования, три блока сравнения, три пропорциональных регулятора, три блока масштабирования, блок задания постоянных сигналов, блок вычисления модуля, блок ограничения минимального значения, блоки деления и умножения, при этом выход блока вычисления входной мощности через первый блок сравнения и первый пропорциональный регулятор соединен с первым входом первого блока суммирования, второй вход которого является первым входом блока формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям и подключен к выходу блока коммутации, а его выход подключен к одному из вторых входов блока преобразования координат, выходы датчиков фазных напряжений статора через последовательно включенные блок вычисления модуля вектора напряжения, второй блок сравнения и второй пропорциональный регулятор подключены к первому входу второго блока суммирования, второй вход которого подключен к блоку задания постоянного сигнала, а третий вход через последовательно включенные третий пропорциональный регулятор, третий блок сравнения и блок вычисления модуля вектора тока статора связан с соответствующими выходами формирователя гармонических функций, выходами датчиков фазного тока статора и входами блока вычисления поперечной составляющей вектора тока статора, выход которого через блок вычисления модуля подключен к первым входам блоков деления и умножения, вторые входы которых через блок ограничения коэффициента связи подключены к выходу второго блока суммирования, причем второй вход блока ограничения коэффициента связи подключен к выходу датчика скорости, а выход блока деления через первый блок масштабирования подключен к одному из вторых входов блока преобразования координат, а через второй блок масштабирования - к первому входу третьего блока суммирования, второй вход которого через третий блок масштабирования соединен с выходом блока умножения, а выход третьего блока суммирования через блок ограничения минимального значения подключен ко входу регулятора тока возбуждения, при этом выходы блока задания постоянных сигналов подключены к соответствующим входам блоков сравнения, а входы блока вычисления входной мощности подключены к выходам блоков вычисления модулей векторов напряжения и тока статора.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства управления тяговым синхронным электродвигателем с независимым возбуждением; на фиг.2 - структурная схема блока формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям; на фиг.3 - предельные механические характеристики в стартерном режиме.

Структурная схема устройства управления тяговым синхронным электродвигателем 1 с независимым возбуждением содержит датчик 2 скорости, блок 3 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, подключенный через регулятор 4 тока возбуждения к обмотке возбуждения а, через последовательно включенные блок 5 преобразования координат, силовой преобразователь 6 с частотно-токовой системой управления и датчики 7 фазного тока к фазным обмоткам электродвигателя 1 и формирователь 8 гармонических функций, механически связанный с ротором тягового синхронного электродвигателя 1 и подключенный своими выходами ко вторым входам блока 5 преобразования координат, при этом выходы датчиков положения педалей тормоза 9 и акселератора 10 подключены соответственно к первому и второму входам блока 11 коммутации, выход которого подключен к первому входу блока 3 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, причем второй вход этого блока подключен к выходу датчика 2 скорости, третьи входы подключены к выходам датчиков 12 фазного напряжения, четвертые входы подключены к выходам датчиков 7 фазного тока, пятый и шестой входы подключены к выходам формирователя 8 гармонических функций, а управляющий вход блока 11 коммутации подключен к выходу компаратора 13, вход которого подключен к выходу датчика положения педали тормоза 9, причем положительному выходному сигналу компаратора 13 соответствует нижнее замкнутое состояние блока 11 коммутации.

Блок 3 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, первый выход которого подключен ко входу регулятора 4 тока возбуждения, а вторые выходы подключены к первым входам блока 5 преобразования координат, содержит блоки вычисления входной мощности 14, модуля вектора напряжения 15 и тока 16 статора, блок 17 вычисления поперечной составляющей вектора тока статора, блок 18 ограничения коэффициента связи, три блока 19, 20 и 21 суммирования, три блока 22, 23 и 24 сравнения, три пропорциональных регулятора 25, 26 и 27, три блока 28, 29 и 30 масштабирования, блок 31 задания постоянных сигналов, блок 32 вычисления модуля, блок 33 ограничения минимального значения, блоки деления 34 и умножения 35, при этом выход блока 14 вычисления входной мощности через первый блок 22 сравнения и первый пропорциональный регулятор 25 соединен с первым входом первого блока 19 суммирования, второй вход которого является первым входом блока 3 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям и подключен к выходу блока 11 коммутации, а его выход подключен к одному из вторых входов блока 5 преобразования координат, выходы датчиков 12 фазных напряжений статора через последовательно включенные блок 15 вычисления модуля вектора напряжения, второй блок 23 сравнения и второй пропорциональный регулятор 26 подключены к первому входу второго блока 20 суммирования, второй вход которого подключен к блоку 31 задания постоянного сигнала, а третий вход через последовательно включенные третий пропорциональный регулятор 27, третий блок 24 сравнения и блок 16 вычисления модуля вектора тока статора связан с соответствующими выходами формирователя 8 гармонических функций, выходами датчиков 7 фазного тока статора и входами блока 17 вычисления поперечной составляющей вектора тока статора, выход которого через блок 32 вычисления модуля подключен к первым входам блоков деления 34 и умножения 35, вторые входы которых через блок 18 ограничения коэффициента связи подключены к выходу второго блока 20 суммирования, причем второй вход блока 18 ограничения коэффициента связи подключен к выходу датчика 2 скорости, а выход блока 34 деления через первый блок 28 масштабирования подключен к одному из вторых входов блока 5 преобразования координат, а через второй блок 29 масштабирования - к первому входу третьего блока 21 суммирования, второй вход которого через третий блок 30 масштабирования подключен к выходу блока 35 умножения, а выход третьего блока 21 суммирования через блок 33 ограничения минимального значения подключен ко входу регулятора 4 тока возбуждения, при этом выходы блока 31 задания постоянных сигналов подключены к соответствующим входам блоков 22, 23 и 24 сравнения, а входы блока 14 вычисления входной мощности подключены к выходам блоков 15, 16 вычисления модулей векторов напряжения и тока статора.

Работа устройства, реализующего предлагаемый способ управления, осуществляется следующим образом. Вначале рассмотрим двигательный режим (сигнал на выходе датчика положения педали тормоза 9 отсутствует, блок 11 коммутации находится в верхнем замкнутом положении).

При нажатии водителем на педаль акселератора сигнал на выходе датчика положения этой педали начинает монотонно возрастать, поступая через блок 11 коммутации на первый вход блока 3 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора. Выходной сигнал с первого выхода этого блока поступает на вход регулятора 4 возбуждения, который формирует требуемые значения тока в обмотке возбуждения, а сигналы со второго и третьего выходов поступают на первые входы блока 5 преобразования координат. После умножения на гармонические функции углового положения ротора синхронной машины 1 и соответствующего суммирования они превращаются в заданные значения i_z , i_z составляющих вектора тока статора в неподвижной системе координат , , ось которой совпадает с направлением фазы А. Затем эти сигналы разделяются на заданные значения фазных токов i_zA i_zB i_zC и отслеживается с помощью релейных регуляторов с гистерезисной характеристикой.

Осуществление формирования заданных значений токов возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, обеспечивающих работу машины с коэффициентом мощности, равным или близким к единице, при минимальных потерях в меди машины поясняется с помощью следующих известных соотношений (см. [2], стр. 864):

где L_sd L_sq - полная индуктивность статора, соответственно по продольной и поперечной осям;

L_md - взаимная индуктивность обмоток статора и обмотки возбуждения по продольной оси;

L_f - полная индуктивность обмотки возбуждения;

i_d, i_q - составляющие вектора тока статора по продольной и поперечной осям соответственно;

_d, _q - составляющие вектора потокосцепления статора по продольной и поперечной осям соответственно;

i_f , _f - ток и потокосцепление обмотки возбуждения.

В соответствии с предлагаемым способом управления вводим новую переменную называемую в дальнейшем коэффициентом связи, тогда с учетом (1) и условием равенства единице коэффициента мощности получаем

Развиваемый машиной момент М равен

Так как _d при переходе из двигательного режима машины в генераторный и наоборот не должно изменять свой знак, то, следовательно, signK=signi _q и составляющая i_d всегда отрицательна, а ток в обмотке возбуждения i_f всегда положительный.

Потери P_м в меди машины при фиксированном значении момента имеют вид

где R_s и R_f - активные сопротивления обмоток статора и обмотки возбуждения соответственно.

Из уравнения (5) видно, что существует такое значение коэффициента связи (будем называть его К_опт), при котором потери в меди минимальны.

Это значение коэффициента связи всегда можно получить из условия

DP_M/dK=0.

Так как в реальных системах всегда существуют ограничения, налагаемые на величину напряжения и фазного тока силового преобразователя, то целесообразно получить зависимость =(M), определяющую зону возможной работы машины с К=К_опт и с учетом налагаемых ограничений. Используя известные дифференциальные уравнения (см. [2], стр. 865) нетрудно убедиться, что в статическом режиме работы составляющие вектора напряжения статора имеют вид

Из уравнений (1), (4) и (6) получаем

Знак “+” соответствует двигательному режиму работы, а “-” - генераторному.

Для расчета зоны возможной работы машины с минимумом потерь в меди, можно построить кривую =(М) при К=К_опт, (фиг.3, кривая 32). Эта зона ограничена сверху максимально допустимой скоростью ротора _max, а справа - максимальным моментом М₁ , который определяется из уравнения (4) при К=К_опт и Но, как видно из уравнения (4), максимальный момент достигается не при К=К_опт, а при К>К_опт. Естественно, что при этом потери в меди возрастают, но тем не менее при том же токоограничении можно будет получить большие моменты, что немаловажно для пусковых режимов в зимних условиях. Максимальное значение коэффициента связи K_max можно вычислить из уравнения (3) выразив i_q через при i=i _max и При этом значении K_max и заданном токоограничении уравнение (4) дает максимальное значение момента, развиваемого машиной М_mах (фиг.3).

Из уравнения (7) видно, что при фиксированном моменте и дальнейшее возрастание скорости возможно только за счет уменьшения значений коэффициента связи К ниже К_опт, причем это также ведет к возрастанию потерь в меди машины. Очевидно, что минимальная величина коэффициента связи K_min определяется из уравнения (7) при , и = _max. Умножив уравнение (7) на М, можно сделать вывод, что предельное значение мощности Р_max, развиваемой машиной, не зависит от величины коэффициента связи, а определяется только величиной активного сопротивления обмоток статора и заданными ограничениями -

Уравнению (8) соответствует гипербола 37 на фиг 3. Значения коэффициента связи, соответствующие гиперболе 37 (будем обозначать их К_гр), обратно пропорциональны угловой скорости вращения ротора и определяются из (7) при и

Таким образом, из фиг.3 видно, что в отношении величины коэффициента связи К имеется три зоны.

Зона 1 ограничена осями , М, максимальной скоростью _max, кривой АБ и моментом М₁ (на фиг.3 заштрихована). Это - зона, в которой при заданных ограничениях и возможно выполнение минимума потерь в меди машины. Величина К в этой зоне должна быть постоянная и равна К_опт.

Зона 2 ограничена гиперболой СД, моментами М₁ , М_mах и осью М. В этой зоне, при увеличении заданного момента, коэффициент связи должен меняться от К=К _опт до К=К_mах в функции поддержания тока статора на уровне

Зона 3 ограничена кривой АБ, гиперболой СД и максимальной скоростью _mах. В этой зоне, при увеличении заданной скорости или момента, коэффициент связи должен изменяться от К=К_опт до К=К_min в функции поддержания вектора напряжения на уровне

Таким образом, при учете влияния ограничения тока ключевых элементов силового преобразователя необходимо увеличить значение коэффициента связи К, начиная от значения К_опт до тех пор, пока ток в статорных обмотках не уменьшится до допустимых значений. Эти функции осуществляются третьим блоком 24 сравнения, вторым блоком 20 суммирования и третьим пропорциональным регулятором 27, нижний уровень выходного сигнала которого равен нулю (фиг.2). Аналогичным образом следует поступать и при учете ограничения напряжения. Эти функции осуществляются вторым блоком 23 сравнения, вторым блоком 20 суммирования и вторым пропорциональным регулятором 26, верхний уровень выходного сигнала которого равен нулю. Блок 18 ограничения коэффициента связи имеет коэффициент передачи, равный единице. Он обеспечивает ограничение максимальной величины своего выходного сигнала (т.е. величины коэффициента связи К) в функции скорости на уровне, соответствующем К=К_гр , причем максимальное значение К_гр равно К_max , а минимальное - К_min. Кроме того, величина выходного сигнала блока 18 в третьей зоне лежит в пределах от К_гр до К_опт, а во второй зоне - от К _опт до К_гр. Первый блок 28 масштабирования имеет коэффициент передачи, равный отношению L_sq к L _sd, причем сигнал на его выходе инвертируется, поэтому выходной сигнал блока 28 равен i_dz (в соответствии с уравнением (2)). Коэффициент передачи блока 29 масштабирования отношению равен L_sq к L_md, а коэффициент передачи блока 30 масштабирования - отношению L_sd к L_md, поэтому сигнал на выходе третьего блока 21 суммирования равен заданному значению тока i_fz в соответствии с уравнением (3). В то же время может оказаться, что предельная мощность синхронной машины с учетом ограничений превышает допустимое значение мощности бортовой аккумуляторной батареи. Это ограничение не должно вызывать изменения величины коэффициента связи К. Поэтому ограничение мощности, потребляемой от бортовой аккумуляторной батареи, осуществляется за счет уменьшения заданного значения составляющей i_q, т.е. за счет уменьшения развиваемого машиной момента. Эти функции осуществляются первым блоком 19 суммирования, первым пропорциональным регулятором 25, первым блоком 22 сравнения и блоком 14 вычисления входной мощности, на входы которого поступают сигналы I_н и U_н , пропорциональные току и напряжению бортовой аккумуляторной батареи (фиг.2).

Работа устройства в генераторном (тормозном) режиме полностью аналогична. Единственное отличие заключается в том, что переход в этот режим происходит по сигналу с выхода датчика положения педали тормоза независимо от положения педали акселератора.

Таким образом, предлагаемый способ управления позволяет предельно использовать синхронную машину с независимым возбуждением как в двигательном, так и в генераторном режимах во всем диапазоне возможных скоростей и нагрузок с учетом реальных ограничений по току и напряжению.

Существенно, что требуемые значения скоростей и моментов достигаются автоматически при минимально возможных в данной точке потерях в меди машины. Наибольший эффект дает использование предлагаемого изобретения там, где первостепенное значение имеют энергетические и массогабаритные показатели. Характерным примером этого являются тяговые электроприводы транспортных средств с автономными источниками энергии.

1. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями / О.В.Слежановский, Л.Х.Дацковский, И.С.Кузнецов и др. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 256 с., ил.

2. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1980. - 928 с., ил.