способ управления стартер-генератором и устройство для реализации этого способа

Формула изобретения

1. Способ управления стартер-генератором на основе синхронной машины с электромагнитным возбуждением, заключающийся в том, что измеряют текущие значения напряжения бортовой аккумуляторной батареи, фазных токов и напряжений синхронной машины, а также скорости и углового положения ротора и с учетом сигнала датчика нажатого состояния педали акселератора автомобиля формируют заданные значения составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям во вращающейся ортогональной системе координат (d, q), ось d которой направлена по продольной оси машины, а также заданное значение тока возбуждения, которое затем формируют в обмотке возбуждения машины с помощью регулятора тока возбуждения, в функции поддержания коэффициента мощности равным или близким к единице, отличающийся тем, что измеренные фазные токи переводят во вращающуюся ортогональную систему координат (d, q), ось d которой направлена по продольной оси машины, сравнивают их с заданными, определяют знаки отклонений текущих значений токов от заданных и по этим знакам определяют требуемые мгновенные знаки фазных напряжений, при этом, если в данный момент времени ось d находится в секторе -30 ÷ +30 электрических градусов относительно оси фазы А, то знак напряжения фазы А устанавливают совпадающим со знаком отклонения тока по продольной оси, знак напряжения фазы В устанавливают совпадающим со знаком отклонения тока по поперечной оси, а знак напряжения фазы С устанавливают противоположным знаку отклонения тока по поперечной оси, если в данный момент времени ось d находится в секторе +30 ÷ +90 электрических градусов относительно оси фазы А, то знак напряжения фазы А устанавливают противоположным знаку отклонения тока по поперечной оси, знак напряжения фазы В устанавливают совпадающим со знаком отклонения тока по поперечной оси, а знак напряжения фазы С устанавливают противоположным знаку отклонения тока по продольной оси, если в данный момент времени ось d находится в секторе +90 ÷ +150 электрических градусов относительно оси фазы А, то знак напряжения фазы А устанавливают противоположным знаку отклонения тока по поперечной оси, знак напряжения фазы В устанавливают совпадающим со знаком отклонения тока по продольной оси, а знак напряжения фазы С устанавливают совпадающим со знаком отклонения тока по поперечной оси, если в данный момент времени ось d находится в секторе +150 ÷ +210 электрических градусов относительно оси фазы А, то знак напряжения фазы А устанавливают противоположным знаку отклонения тока по продольной оси, знак напряжения фазы В устанавливают противоположным знаку отклонения тока по поперечной оси, а знак напряжения фазы С устанавливают совпадающим со знаком отклонения тока по поперечной оси, если в данный момент времени ось d находится в секторе +210 ÷ +270 электрических градусов относительно оси фазы А, то знак напряжения фазы А устанавливают совпадающим со знаком отклонения тока по поперечной оси, знак напряжения фазы В устанавливают противоположным знаку отклонения тока по поперечной оси, а знак напряжения фазы С устанавливают совпадающим со знаком отклонения тока по продольной оси, если в данный момент времени ось d находится в секторе +270 ÷ +330 электрических градусов относительно оси фазы А, то знак напряжения фазы А устанавливают совпадающим со знаком отклонения тока по поперечной оси, знак напряжения фазы В устанавливают противоположным знаку отклонения тока по продольной оси, а знак напряжения фазы С устанавливают противоположным знаку отклонения тока по поперечной оси.

2. Устройство управления стартер-генератором на базе синхронной машины с электромагнитным возбуждением, содержащее датчик положения, механически связанный с ротором синхронной машины, силовой преобразователь, подключенный через датчики тока и напряжения к фазным обмоткам синхронной машины, при этом выходы датчиков напряжения подключены к первым входам блока формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, который, в свою очередь, своим первым выходом через регулятор тока возбуждения подключен к обмотке возбуждения синхронной машины, отличающееся тем, что выходы датчиков тока через блок преобразования координат подключены ко вторым входам блока формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, при этом цифровой вход блока преобразования координат через формирователь гармонических функций подключен к выходу датчика положения и ко входу измерителя скорости, выход которого подключен к третьему входу блока формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, при этом второй и третий выходы этого блока подключены соответственно к неинвертирующим входам первого и второго блоков сравнения, инвертирующие входы которых подключены соответственно к первому и второму выходам блока преобразования координат, при этом выходы первого и второго блоков сравнения через релейные элементы с гистерезисной характеристикой подключены соответственно к первому и второму входам управляемого логического коммутатора, выходы которого подключены непосредственно к входам управления ключевыми элементами силового преобразователя, а третий вход управляемого логического коммутатора подключен непосредственно к выходу датчика положения, который выполнен имеющим на выходе цифровой сигнал в параллельном коде.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам управления стартер-генераторными устройствами транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания.

Известно устройство (см. [1], стр.194), в котором для поддержания в заряженном состоянии бортовой аккумуляторной батареи автомобиля используется синхронная машина с электромагнитным возбуждением.

Недостатком этого устройства является отсутствие возможности запуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с помощью этой синхронной машины.

Известно так же устройство (европейский патент №0406182 В1, кл. F 02 N 11/04, 1992 г.), в котором синхронная машина с постоянными магнитами используется и для запуска ДВС, и для заряда бортовой аккумуляторной батареи, т.е. она выполняет функции стартера и генератора.

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

Кроме того, известно устройство (см. [2], 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 и 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.

Наиболее близким техническим решением является способ (патент России №2188964, кл. F 02 N 11/04, опублик. 10.09.2002) и устройство (патент России №2200871, кл. F 02 N 11/04, опублик. 20.03.2003), в котором синхронная машина с электромагнитным возбуждением работает в частотно-токовой системе автоматического регулирования с коэффициентом мощности, равным или близким к единице, во всем диапазоне изменения нагрузок и регулирования скорости с обеспечением выполнения критерия минимума статических потерь в машине.

Недостатком этого устройства является отсутствие минимизации дополнительных (коммутационных) потерь в машине и силовом преобразователе.

Решение технической задачи направлено на минимизацию дополнительных (коммутационных) потерь в машине и силовом преобразователе.

Для решения поставленной технической задачи измеряют текущие значения напряжения бортовой аккумуляторной батареи, фазных токов и напряжений синхронной машины, а так же скорости и углового положения ротора и с учетом сигнала датчика нажатого состояния педали акселератора автомобиля формируют заданные значения составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям во вращающейся ортогональной системе координат (d, q), ось d которой направлена по продольной оси машины, а так же заданное значение тока возбуждения, которое затем формируют в обмотке возбуждения машины с помощью регулятора тока возбуждения, в функции поддержания коэффициента мощности, равным или близким к единице, затем измеренные фазные токи переводят во вращающуюся ортогональную систему координат (d, q), ось d которой направлена по продольной оси машины, сравнивают их с заданными, определяют знаки отклонений текущих значений токов от заданных и по этим знакам определяют требуемые мгновенные знаки фазных напряжений, при этом, если в данный момент времени ось d находится в секторе -30-+30 электрических градусов относительно оси фазы "А", то знак напряжения фазы "А" устанавливают совпадающим со знаком отклонения тока по продольной оси, знак напряжения фазы "В" устанавливают совпадающим со знаком отклонения тока по поперечной оси, а знак напряжения фазы "С" устанавливают противоположным знаку отклонения тока по поперечной оси, если в данный момент времени ось d находится в секторе +30-+90 электрических градусов относительно оси фазы "А", то знак напряжения фазы "А" устанавливают противоположным знаку отклонения тока по поперечной оси, знак напряжения фазы "В" устанавливают совпадающим со знаком отклонения тока по поперечной оси, а знак напряжения фазы "С" устанавливают противоположным знаку отклонения тока по продольной оси, если в данный момент времени ось d находится в секторе +90-+150 электрических градусов относительно оси фазы "А", то знак напряжения фазы "А" устанавливают противоположным знаку отклонения тока по поперечной оси, знак напряжения фазы "В" устанавливают совпадающим со знаком отклонения тока по продольной оси, а знак напряжения фазы "С" устанавливают совпадающим со знаком отклонения тока по поперечной оси, если в данный момент времени ось d находится в секторе +150-+210 электрических градусов относительно оси фазы "А", то знак напряжения фазы "А" устанавливают противоположным знаку отклонения тока по продольной оси, знак напряжения фазы "В" устанавливают противоположным знаку отклонения тока по поперечной оси, а знак напряжения фазы "С" устанавливают совпадающим со знаком отклонения тока по поперечной оси, если в данный момент времени ось d находится в секторе +210-+270 электрических градусов относительно оси фазы "А", то знак напряжения фазы "А" устанавливают совпадающим со знаком отклонения тока по поперечной оси, знак напряжения фазы "В" устанавливают противоположным знаку отклонения тока по поперечной оси, а знак напряжения фазы "С" устанавливают совпадающим со знаком отклонения тока по продольной оси, если в данный момент времени ось d находится в секторе +270-+330 электрических градусов относительно оси фазы "А", то знак напряжения фазы "А" устанавливают совпадающим со знаком отклонения тока по поперечной оси, знак напряжения фазы "В" устанавливают противоположным знаку отклонения тока по продольной оси, а знак напряжения фазы "С" устанавливают противоположным знаку отклонения тока по поперечной оси.

Устройство управления стартер-генератором на базе синхронной машины с электромагнитным возбуждением, реализующее данный способ, является оригинальным техническим решением, т.к. содержит датчик положения, механически связанный с ротором синхронной машины, силовой преобразователь, подключенный через датчики тока и напряжения к фазным обмоткам синхронной машины, при этом выходы датчиков напряжения подключены к первым входам блока формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, который, в свою очередь, своим первым выходом через регулятор тока возбуждения подключен к обмотке возбуждения синхронной машины, в свою очередь, выходы датчиков тока через блок преобразования координат подключены ко вторым входам блока формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, при этом цифровой вход блока преобразования координат через формирователь гармонических функций подключен к выходу датчика положения и ко входу измерителя скорости, выход которого подключен к третьему входу блока формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, при этом второй и третий выходы этого блока подключены соответственно к неинвертирующим входам первого и второго блоков сравнения, инвертирующие входы которых подключены соответственно к первому и второму выходам блока преобразования координат, при этом выходы первого и второго блоков сравнения через релейные элементы с гистерезисной характеристикой подключены соответственно к первому и второму входам управляемого логического коммутатора, выходы которого подключены непосредственно к входам управления ключевыми элементами силового преобразователя, а третий вход управляемого логического коммутатора подключен непосредственно к выходу датчика положения, который выполнен имеющим на выходе цифровой сигнал в параллельном коде.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства управления стартер-генератором на базе синхронной машины с электромагнитным возбуждением; на фиг.2 - структурная схема вычислительного блока; на фиг.3 - векторная диаграмма, поясняющая принцип работы.

Структурная схема устройства управления стартер-генератором на базе синхронной машины 1 с электромагнитным возбуждением содержит датчик 2 положения, механически связанный с ротором синхронной машины 1, силовой преобразователь 3, подключенный через датчики тока 4 и напряжения 5 к фазным обмоткам синхронной машины 1, при этом выходы датчиков напряжения 5 подключены к первым входам блока 6 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, который, в свою очередь, своим первым выходом через регулятор 7 тока возбуждения подключен к обмотке возбуждения синхронной машины 1, в свою очередь, выходы датчиков тока 4 через блок 8 преобразования координат подключены ко вторым входам блока 6 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, при этом цифровой вход блока 8 преобразования координат через формирователь 9 гармонических функций подключен к выходу датчика 2 положения и ко входу измерителя 10 скорости, выход которого подключен к третьему входу блока 6 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, при этом второй и третий выходы этого блока подключены соответственно к неинвертирующим входам первого 11 и второго 12 блоков сравнения, инвертирующие входы которых подключены соответственно к первому и второму выходам блока 8 преобразования координат, при этом выходы первого 11 и второго 12 блоков сравнения через релейные элементы 13, 14 с гистерезисной характеристикой подключены соответственно к первому и второму входам управляемого логического коммутатора 15, выходы которого подключены непосредственно к входам управления ключевыми элементами силового преобразователя 3, а третий вход управляемого логического коммутатора 15 подключен непосредственно к выходу датчика положения, который выполнен имеющим на выходе цифровой сигнал в параллельном коде.

Блок 6 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям содержит третий блок 16 сравнения, инвертирующий вход которого подключен к выходу датчика 10 скорости, а неинвертирующий вход этого блока подключен к выходу задатчика 17 интенсивности; четвертый блок 18 сравнения, подключенный первым входом к уставке 19 напряжения бортовой аккумуляторной батареи, а вторым входом к датчику 20 напряжения бортовой аккумуляторной батареи, подключенной к соответствующим входам питания регулятора 7 тока возбуждения и силового преобразователя 3, при этом выходы третьего 16 и четвертого 18 блоков сравнения подключены соответственно к первому и второму входам блока 21 коммутации, выход которого подключен к первому входу вычислительного блока 22, причем второй вход этого блока подключен к выходу датчика 10 скорости, третьи входы подключены к выходам датчиков 15 фазного напряжения, четвертые входы подключены к выходам блока 8 преобразования координат, а управляющий вход блока 21 коммутации подключен к выходу логического элемента 23 "И", первый вход которого через первый компаратор 24 подключен к выходу датчика 10 скорости, а второй вход через второй компаратор 25 подключен к датчику 26 нажатого состояния педали акселератора автомобиля, причем выход второго компаратора 25, подключен так же ко входу задатчика 17 интенсивности.

Вычислительный блок 22 содержит блоки вычисления входной мощности 27, модуля вектора напряжения 28 и тока 29 статора, блок 30 ограничения коэффициента связи, три блока 31, 32 и 33 суммирования, три блока 34, 35 и 36 сравнения, три пропорциональных регулятора 37, 38 и 39, три блока 40, 41 и 42 масштабирования, блок 43 задания постоянных сигналов, блок 44 вычисления модуля, блок 45 ограничения минимального значения, блоки деления 46 и умножения 47, при этом выход блока 27 вычисления входной мощности через первый блок 34 сравнения и первый пропорциональный регулятор 37 соединен с первым входом первого блока 31 суммирования, второй вход которого является первым входом вычислительного блока 22 и подключен к выходу блока 21 коммутации. Выходы датчиков 5 фазных напряжений статора через последовательно включенные блок 28 вычисления модуля вектора напряжения, второй блок 35 сравнения и второй пропорциональный регулятор 38 подключены к первому входу второго блока 32 суммирования, второй вход которого подключен к блоку 43 задания постоянного сигнала, а третий вход через последовательно включенные третий пропорциональный регулятор 39, третий блок 36 сравнения и блок 29 вычисления модуля вектора тока статора связан с соответствующими выходами блока 8 преобразования координат, и входом блока 44 вычисления модуля, выход которого подключен к первым входам блоков деления 46 и умножения 47, вторые входы которых через блок 30 ограничения коэффициента связи подключены к выходу второго блока 32 суммирования, причем второй вход блока 30 ограничения коэффициента связи подключен к выходу датчика 10 скорости, а выход блока 46 деления через первый блок 40 масштабирования подключен к неинвертирующему входу первого блока 11 сравнения, а через второй блок 41 масштабирования - к первому входу третьего блока 33 суммирования, второй вход которого через третий блок 42 масштабирования подключен к выходу блока 47 умножения, а выход третьего блока 33 суммирования через блок 45 ограничения минимального значения подключен ко входу регулятора 7 тока возбуждения, при этом выходы блока 43 задания постоянных сигналов подключены к соответствующим входам блоков 34, 35 и 36 сравнения, а входы блока 27 вычисления входной мощности подключены к выходам блоков 28, 29 вычисления модулей векторов напряжения и тока статора.

Работа устройства, реализующего предлагаемый способ управления, осуществляется следующим образом.

При нажатии водителем на педаль акселератора датчик 26 выдает сигнал и компаратор 25 переключается, выдавая единичное напряжение на первый вход логического элемента 23 "И" и на вход задатчика 17 интенсивности. Напряжение на выходе задатчика интенсивности начинает монотонно возрастать, поступая через блок 21 коммутации на первый вход вычислительного блока 22. Выходной сигнал с первого выхода этого блока, являющегося и первым выходом блока 6 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, поступает на вход регулятора 7 возбуждения, который формирует требуемые значения тока в обмотке возбуждения, а сигналы заданных значений составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, поступающие на неинвертирующие входы первого 11 и второго 12 блоков сравнения соответственно со второго и третьего выходов, сравниваются с их текущими значениями и по результатам сравнения на выходах релейных элементов 13, 14 формируются логические сигналы sign( i_d), sign( i_q) соответственно (описание алгоритма формирования заданных значений токов приведено в приложении).

Работа устройства основана на функционировании векторного токового следящего контура в системе координат (d, q), ось d которой направлена по продольной оси машины. Этот контур образован блоками 3, 4, 8, 11, 12, 13, 14 и 15 (фиг.1). Питание фазных обмоток осуществляется от силового преобразователя 3 с полностью управляемыми ключевыми элементами, которые в зависимости от знака команд управления (signU_j, j=A, В, С) подключают фазные обмотки синхронной машины 1 к плюсовому или минусовому выводам бортовой аккумуляторной батареи, поэтому фазные напряжения силового преобразователя 3, измеренные относительно средней точки, можно записать в виде

где U_d - напряжение бортовой аккумуляторной батареи.

При этом обобщенный вектор U=(u , u ) выходного напряжения такого преобразователя будет описываться уравнением

где (e_A , e_A ), (e_B , e_B ), (e_C , e_C ) - проекции направляющих орт фаз А, В и С синхронной машины 1 на оси неподвижной ортогональной системы координат ( , ), ось которой совпадает с направлением фазы А. На фиг.3 изображены шесть ненулевых векторов U^m, (m=1, ... , 6) выходного напряжения силового преобразователя 3.

Отсюда видно, что плоскость , можно разбить на шесть секторов, в каждом из которых для раздельного регулирования i_d, i_q достаточно использовать лишь четыре из шести ненулевых векторов U^m (m=1, ... , 6) выходного напряжения силового преобразователя 3. Например, если ротор находится во втором секторе (фиг.3), то переключения ключевых элементов силового преобразователя 3 в состояния, соответствующие U¹ и U³, будут вызывать уменьшение текущего значения i_d, а переключения в состояния, соответствующие U ⁴ и U⁶, будут вызывать увеличение текущего значения i_d. Аналогично, переключения в состояния, соответствующие U³ и U⁴, будут вызывать уменьшение текущего значения i_q, а переключения в состояния U¹ и U ⁶ будут вызывать увеличение текущего значения i_q. Это обстоятельство и положено в основу алгоритма функционирования векторного токового следящего контура в системе координат (d, q), который фактически сводится к составлению таблицы соответствия знаков фазных напряжений (sign U_j, j=А, В, С) знакам ошибок регулирования sign ( i_d), sign ( i_q) в зависимости от текущего положения (номер сектора) вращающейся системы координат (d, q) на плоскости , :

Сектор		signUA	signUB	signU C
1.	-30-+30	+sign( id)	+sign( iq)	-sign( iq)
2.	+30-+90	-sign( iq)	+sign( iq)	-sign( id)
3.	+90-+150	-sign( iq)	+sign( iq)	+sign( iq)
4.	+150-+210	-sign( id)	-sign( iq)	+sign( iq)
5.	+210-+270	+sign( iq)	-sign( iq)	+sign( id)
6.	+270-+330	+sign( iq)	-sign( id)	-sign( iq)

Например, если выходной сигнал релейного элемента 13 положительный, sign( i_d)=+1, выходной сигнал релейного элемента 14 отрицательный, sign( i_q)=-1, то, как видно из таблицы, выходное напряжение силового преобразователя 3 будет соответствовать U¹ .

Подключение выходов релейных элементов 13 и 14 непосредственно к входам управления ключевых элементов силового преобразователя 3 в соответствии с таблицей осуществляет управляемый логический коммутатор 15. Определение номера сектора производится по цифровому коду, снимаемому с выхода датчика положения 2.

Повышение энергетических показателей (минимизация дополнительных потерь в машине и силовом преобразователе) данного устройства по сравнению с известным обеспечивается за счет того, что при той же или даже меньшей частоте коммутаций ключевых элементов силового преобразователя 3 величина гистерезиса релейного элемента 13 может быть установлена в 2-3 раза меньшей, чем у релейного элемента 14, что приводит к соответствующему уменьшению пульсаций i_d, а следовательно и потока, при этом, как видно из таблицы, в каждом из секторов частота коммутаций в одной из фаз силового преобразователя 3 будет так же в 2-3 раза меньшей.

Приложение

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. [3] 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 известным способом управления (патент России №2188964, кл. F 02 N 11/04, опублик. 10.09.2002) 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 signК=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 =f(M), определяющую зону возможной работы машины с К=К_опт и с учетом налагаемых ограничений.

Используя известные дифференциальные уравнения (см, [3] стр.865) не трудно 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 =f(M) при К=К_опт (фиг.4, кривая АБ). 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_f=i_fmax и При этом значения К_max и заданном токоограничении уравнение (4) дает максимальное значение момента, развиваемого машиной M_max (фиг.4).

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 P_max, развиваемой машиной, не зависит от величины коэффициента связи, а определяется только величиной активного сопротивления обмоток статора и заданными ограничениями - и

Уравнению (8) соответствует гипербола СД на фиг.1. Значения коэффициента связи, соответствующие гиперболе СД (будем обозначать их К_гр) обратно пропорциональны угловой скорости вращения ротора и определяются из (7) при и

Таким образом, из фиг.4 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.4 не 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, M_max и осью М. В этой зоне, при увеличении заданного момента, коэффициент связи должен меняться от К=К_опт до К=K_max в функции поддержания тока статора на уровне

Зона 3 ограничена кривой АБ, гиперболой СД и максимальной скоростью _max. 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 36 сравнения, вторым блоком 32 суммирования и третьим пропорциональным регулятором 39, нижний уровень выходного сигнала которого равен нулю (фиг.2). Аналогичным образом следует поступать и при учете ограничения напряжения. Эти функции осуществляются вторым блоком 35 сравнения, вторым блоком 32 суммирования и вторым пропорциональным регулятором 38, верхний уровень выходного сигнала которого равен нулю. Блок 30 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 K_max , а минимальное - K_min. Кроме того, величина выходного сигнала блока 30 в третьей зоне лежит в пределах от К_гр до К_опт, а во второй зоне - от К _опт до К_гр. Первый блок 40 масштабирования имеет коэффициент передачи, равный отношению L_sq к L _sd, причем сигнал на его выходе инвертируется, поэтому выходной сигнал блока 40 равен i_zd (в соответствии с уравнением (2)). Коэффициент передачи блока 41 масштабирования отношению равен L_sq к L_md, а коэффициент передачи блока 42 масштабирования - отношению L_sd к L_md, поэтому сигнал на выходе третьего блока 33 суммирования равен заданному значению тока i_zf в соответствии с уравнением (3). В то же время может оказаться, что предельная мощность синхронной машины с учетом ограничений и 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 31 суммирования, первым пропорциональным регулятором 37, первым блоком 34 сравнения и блоком 27 вычисления входной мощности, на входы которого поступают сигналы I_н и U_н , пропорциональные току и напряжению бортовой аккумуляторной батареи.

Таким образом, описанный способ формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям позволяет предельно использовать синхронную машину с электромагнитным возбуждением как в стартерном, 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.

Источники информации

1. Вершигора В.А., Игнатов А.П. и др. “Автомобиль ВАЗ-2108” - М.: ДОСААФ, 1986. - 286 с.

2. 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.

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