способ управления тяговым синхронным электродвигателем и устройство для реализации этого способа

Формула изобретения

1. Способ управления тяговым синхронным электродвигателем с независимым возбуждением, заключающийся в том, что измеряют текущие значения напряжения бортовой аккумуляторной батареи, фазных токов и напряжений тягового синхронного электродвигателя, а также скорости и углового положения ротора и с учетом выходных сигналов датчиков положения педалей тормоза и акселератора автомобиля формируют заданные значения составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям в неподвижной относительно ротора ортогональной системе координат (d, q), ось d которой направлена по продольной оси ротора электродвигателя, а также заданное значение тока возбуждения, которое затем формируют в обмотке возбуждения тягового синхронного электродвигателя с помощью регулятора тока возбуждения, в функции поддержания коэффициента мощности, равным или близким к единице, отличающийся тем, что измеренные фазные токи переводят в неподвижную относительно ротора ортогональную систему координат (d, q), ось d которой направлена по продольной оси ротора электродвигателя, 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 тяговым синхронным электродвигателем с независимым возбуждением, содержащее формирователь гармонических функций, подключенный выходом к первому входу блока преобразования координат, датчики положения педалей тормоза и акселератора, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам блока коммутации, а выход блока коммутации, в свою очередь, 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, а управляющий вход блока коммутации подключен к выходу компаратора, вход которого, в свою очередь, подключен к выходу датчика положения педали тормоза, причем положительному выходному сигналу компаратора соответствует нижнее замкнутое состояние блока коммутации, силовой преобразователь, подключенный через датчики тока и напряжения к фазным обмоткам тягового синхронного электродвигателя, регулятор тока возбуждения, подключенный входом к первому выходу блока формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, а выходом к обмотке возбуждения тягового синхронного электродвигателя, 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 первый (цифровой) вход блока преобразования координат через формирователь гармонических функций подключен к выходу датчика положения и ко входу измерителя скорости, при этом второй и третий выходы блока формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям 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 (цифровой) вход управляемого логического коммутатора подключен непосредственно к выходу датчика положения, механически связанного с ротором тягового синхронного электродвигателя и выполненного имеющим на выходе цифровой сигнал в параллельном коде.

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. B60L 15/20, 1982 г.; №892632, кл. Н02Р 5/06, 1981 г.; №1534725, кл. Н02Р 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. Н02Р 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 cosf в данном случае принципиально не равен единице, поэтому ключевые элементы силового преобразователя необходимо выбирать на завышенный ток.

Известен способ и устройство (патент России №604112, кл. Н02Р 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 устройство (патент России №2170487, кл. Н02К 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.

Известно также 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.

Наиболее близким техническим решением является способ и устройство (патент России №2250552, кл. Н02Р 21/00, B60L 15/20, опублик. 20.11.2004), 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 управления тяговым синхронным электродвигателем с независимым возбуждением измеряют текущие значения напряжения бортовой аккумуляторной батареи, фазных токов и напряжений тягового синхронного электродвигателя, а также скорости и углового положения ротора и с учетом выходных сигналов датчиков положения педалей тормоза и акселератора автомобиля, формируют заданные значения составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям в неподвижной относительно ротора ортогональной системе координат (d, q), ось d которой направлена по продольной оси ротора электродвигателя, а также заданное значение тока возбуждения, которое затем формируют в обмотке возбуждения тягового синхронного электродвигателя с помощью регулятора тока возбуждения, в функции поддержания коэффициента мощности, равным или близким к единице, затем измеренные фазные токи переводят в неподвижную относительно ротора ортогональную систему координат (d, q), ось d которой направлена по продольной оси ротора электродвигателя, 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 тяговым синхронным электродвигателем с независимым возбуждением, реализующее данный способ, является оригинальным техническим решением, так как содержит формирователь гармонических функций, подключенный выходом к первому входу блока преобразования координат, датчики положения педалей тормоза и акселератора, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам блока коммутации, а выход блока коммутации, в свою очередь, 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, а управляющий вход блока коммутации подключен к выходу компаратора, вход которого, в свою очередь, подключен к выходу датчика положения педали тормоза, причем положительному выходному сигналу компаратора соответствует нижнее замкнутое состояние блока коммутации, силовой преобразователь, подключенный через датчики тока и напряжения к фазным обмоткам тягового синхронного электродвигателя, регулятор тока возбуждения, подключенный входом к первому выходу блока формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, а выходом к обмотке возбуждения тягового синхронного электродвигателя, при этом 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, а первый (цифровой) вход блока преобразования координат через формирователь гармонических функций подключен к выходу датчика положения и ко входу измерителя скорости, при этом второй и третий выходы блока формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям 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 (цифровой) вход управляемого логического коммутатора подключен непосредственно к выходу датчика положения, механически связанного с ротором тягового синхронного электродвигателя и выполненного имеющим на выходе цифровой сигнал в параллельном коде.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства управления тяговым синхронным электродвигателем с независимым возбуждением, реализующего данный способ; на фиг.2 - структурная схема блока формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям; на фиг.3 - векторная диаграмма, поясняющая принцип работы.

Структурная схема устройства управления тяговым синхронным электродвигателем 1 с независимым возбуждением, реализующее данный способ, содержит формирователь 2 гармонических функций, подключенный выходом к первому входу блока 3 преобразования координат, датчики положения педалей тормоза 4 и акселератора 5, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам блока 6 коммутации, а выход блока 6 коммутации, в свою очередь, подключен к первому входу блока 7 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, причем второй вход этого блока подключен к выходу датчика 8 скорости, третьи входы подключены к выходам датчиков 9 фазного напряжения, а управляющий вход блока 6 коммутации подключен к выходу компаратора 10, вход которого, в свою очередь, подключен к выходу датчика 4 положения педали тормоза, причем положительному выходному сигналу компаратора 10 соответствует нижнее замкнутое состояние блока 6 коммутации, силовой преобразователь 11, подключенный через датчики тока 12 и напряжения 9 к фазным обмоткам тягового синхронного электродвигателя 1, регулятор 13 тока возбуждения, подключенный входом к первому выходу блока 7 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, а выходом к обмотке возбуждения тягового синхронного электродвигателя 1, при этом выходы датчиков 12 тока через блок 3 преобразования координат подключены ко вторым входам блока 7 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, а первый (цифровой) вход блока 3 преобразования координат через формирователь 2 гармонических функций подключен к выходу датчика 14 положения и ко входу измерителя скорости 8, при этом второй и третий выходы блока 7 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям подключены соответственно к неинвертирующим входам первого 15 и второго 16 блоков сравнения, инвертирующие входы которых подключены соответственно к первому и второму выходам блока 3 преобразования координат, при этом выходы первого 15 и второго 16 блоков сравнения через релейные элементы 17 и 18 с гистерезисной характеристикой подключены соответственно к первому и второму входам управляемого логического коммутатора 19, выходы которого подключены непосредственно к входам управления ключевыми элементами силового преобразователя 11, а третий (цифровой) вход управляемого логического коммутатора 19 подключен непосредственно к выходу датчика 14 положения, механически связанного с ротором тягового синхронного электродвигателя 1 и выполненного имеющим на выходе цифровой сигнал в параллельном коде.

Блок 7 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям содержит блоки вычисления входной мощности 20, модуля вектора напряжения 21 и тока 22 статора, блок 23 ограничения коэффициента связи, три блока 24, 25 и 26 суммирования, три блока 27, 28 и 29 сравнения, три пропорциональных регулятора 30, 31 и 32, три блока 33, 34 и 35 масштабирования, блок 36 задания постоянных сигналов, блок 37 вычисления модуля, блок 38 ограничения минимального значения, блоки деления 39 и умножения 40, при этом выход блока 20 вычисления входной мощности через первый блок 27 сравнения и первый пропорциональный регулятор 30 соединен с первым входом первого блока 24 суммирования, второй вход которого является первым входом вычислительного блока 7 и подключен к выходу блока 6 коммутации. Выходы датчиков 9 фазных напряжений статора через последовательно включенные блок 21 вычисления модуля вектора напряжения, второй блок 28 сравнения и второй пропорциональный регулятор 31 подключены к первому входу второго блока 25 суммирования, второй вход которого подключен к блоку 36 задания постоянного сигнала, а третий вход через последовательно включенные третий пропорциональный регулятор 32, третий блок 29 сравнения и блок 22 вычисления модуля вектора тока статора связан с соответствующими выходами блока 3 преобразования координат, и входом блока 37 вычисления модуля, выход которого подключен к первым входам блоков деления 39 и умножения 40, вторые входы которых через блок 23 ограничения коэффициента связи подключены к выходу второго блока 25 суммирования, причем второй вход блока 23 ограничения коэффициента связи подключен к выходу датчика 8 скорости, а выход блока 39 деления через первый блок 33 масштабирования подключен к неинвертирующему входу первого блока 15 сравнения, а через второй блок 34 масштабирования - к первому входу третьего блока 26 суммирования, второй вход которого через третий блок 35 масштабирования подключен к выходу блока 40 умножения, а выход третьего блока 26 суммирования через блок 38 ограничения минимального значения подключен ко входу регулятора 13 тока возбуждения, при этом выходы блока 36 задания постоянных сигналов подключены к соответствующим входам блоков 27, 28 и 29 сравнения, а входы блока 20 вычисления входной мощности подключены к выходам блоков 21, 22 вычисления модулей векторов напряжения и тока статора.

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

Вначале рассмотрим двигательный режим (сигнал на выходе датчика 4 положения педали тормоза отсутствует, блок 6 коммутации находится в верхнем замкнутом положении).

При нажатии водителем на педаль акселератора сигнал на выходе датчика 5 положения этой педали начинает монотонно возрастать, поступая через блок 6 коммутации на первый вход блока 7 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора. Выходной сигнал с первого выхода этого блока поступает на вход регулятора 13 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 15 и второго 16 блоков сравнения соответственно со второго и третьего выходов, сравниваются с их текущими значениями и по результатам сравнения на выходах релейных элементов 17, 18 формируются логические сигналы sign( i_d), sign( i_q) соответственно. (описание алгоритма формирования заданных значений токов приведено на фиг.4).

Работа устройства основана на функционировании векторного токового следящего контура в системе координат (d, q), ось d которой направлена по продольной оси ротора электродвигателя. Этот контур образован блоками 11, 12, 3, 15, 16, 17, 18, и 19 (фиг.1). Питание фазных обмоток осуществляется от силового преобразователя 11 с полностью управляемыми ключевыми элементами, которые в зависимости от знака команд управления (signU_j,j=А, В, С) подключают фазные обмотки электродвигателя 1 к плюсовому или минусовому выводам бортовой аккумуляторной батареи, поэтому фазные напряжения силового преобразователя 11, 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 (е_A , e_A ), (e_B , e_B ), (e_C , e_C ) проекции направляющих орт фаз А, В и С электродвигателя 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 11, соответствующие различным комбинациям команд управления.

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 11. Например, если ротор находится во втором секторе (фиг.3), то переключения ключевых элементов силового преобразователя 11 в состояния, соответствующие U¹ и U³, будут вызывать уменьшение текущего значения i_d, а переключения в состояния, соответствующие U⁴ 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 U ¹ и U⁶ 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 {signU _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 , (см. таблицу).

Таблица.
Сектор		signUA	signUB	signUC
1.	-30÷+30	+sign( id)	+sign( iq)	-sign( iq)
2.	+30÷+90	-sign( iq)	+sign( iq)	-sign( id)
3.	+90÷+150	-sign( iq)	+sign( id)	+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 17 положительный, sign( i_d)=+1, выходной сигнал релейного элемента 18 отрицательный, sign( i_q)=-1, то, как видно из таблицы, выходное напряжение силового преобразователя 11 будет соответствовать U¹.

Подключение выходов релейных элементов 17 и 18 непосредственно к входам управления ключевых элементов силового преобразователя 11 в соответствии с таблицей осуществляет управляемый логический коммутатор 19. Определение номера сектора производится по цифровому коду, снимаемому с выхода датчика положения 14.

Повышение энергетических показателей (минимизация дополнительных потерь в электродвигателе и силовом преобразователе) данного устройства по сравнению с известным обеспечивается за счет того, что при той же или даже меньшей суммарной частоте коммутаций ключевых элементов силового преобразователя 11 величина гистерезиса релейного элемента 17 может быть установлена в 2-3 раза меньшей, чем у релейного элемента 18, 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 11 будет также в 2-3 раза меньшей, чем в двух других фазах.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Осуществление формирования заданных значений токов возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, обеспечивающих работу электродвигателя с коэффициентом мощности, равным или близким к единице при минимальных потерях в меди электродвигателя поясняется с помощью следующих известных соотношений (см. [1] 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 |I_s| 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 №2250552, кл. Н02Р 21/00, B60L 15/20, опублик. 20.11.2004) вводим новую переменную , называемую в дальнейшем коэффициентом связи, тогда с учетом (1) и условием равенства единице коэффициента мощности получаем

Развиваемый электродвигателем момент М равен

Так как _d при переходе из двигательного режима в генераторный и наоборот не должно изменять свой знак, то, следовательно, sign К=signi_q и составляющая i _d всегда отрицательна, а ток в обмотке возбуждения i _f всегда положительный.

Потери P_M в меди электродвигателя 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 _onm), 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 электродвигателя с К=К_onm и с учетом налагаемых ограничений. Используя известные дифференциальные уравнения (см. [1] 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 электродвигателя 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 |I_s|=|I _s|_max. Но, как видно из уравнения (4), максимальный момент достигается не при К=К _опт, а при К>К_onm. Естественно, что при этом потери в меди возрастают, но тем не менее при том же токоограничении можно будет получить большие моменты, что немаловажно для режимов обгона или экстренного торможения. Максимальное значение коэффициента связи К_max можно вычислить из уравнения (3), выразив i_q через |I_s| при i_f =i_fmax и |I_s|=|I _s|_max. При этом значения K _max и заданном токоограничении |I_s |_max уравнение (4) дает максимальное значение момента, развиваемого машиной М_max (фиг.4).

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

Уравнению (8) соответствует гипербола СД на фиг 4. Значения коэффициента связи, соответствующие гиперболе СД (будем обозначать их К_гр) обратно пропорциональны угловой скорости вращения ротора и определяются из (7) при |U _s|=|U_s|_max и |I_s|=|I_s| _max

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 М ₁ (на фиг.4 не заштрихована). Это зона, в которой при заданных ограничениях |U_s|=|U_s |_max и |I_s|=|I _s|_max возможно выполнение минимума потерь в меди машины. Величина К в этой зоне должна быть постоянная и равна К_onm.

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 |I _s|_max

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 K=К_опт до К=K_min в функции поддержания вектора напряжения на уровне |U _s|=|U_s|_max.

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 29 сравнения, вторым блоком 25 суммирования и третьим пропорциональным регулятором 32, нижний уровень выходного сигнала которого равен нулю (фиг.2). Аналогичным образом следует поступать и при учете ограничения напряжения. Эти функции осуществляются вторым блоком 28 сравнения, вторым блоком 25 суммирования и вторым пропорциональным регулятором 31, верхний уровень выходного сигнала которого равен нулю. Блок 23 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 K=K _гр, причем максимальное значение K_гр равно K_max, a минимальное - К _min. Кроме того, величина выходного сигнала блока 23 в третьей зоне лежит в пределах от К_гр до К_опт, а во второй зоне - от К _опт до К_гр. Первый блок 33 масштабирования имеет коэффициент передачи, равный отношению L _sq к L_sd, причем сигнал на его выходе инвертируется, поэтому выходной сигнал блока 33 равен i _zd (в соответствии с уравнением (2). Коэффициент передачи блока 34 масштабирования равен отношению L_sq к L_md, а коэффициент передачи блока 35 масштабирования - отношению L_sd к L _md, поэтому сигнал на выходе третьего блока 26 суммирования равен заданному значению тока i_zf в соответствии с уравнением (3). В то же время может оказаться, что предельная мощность электродвигателя с учетом ограничений |I _s| и |U_s| превышает допустимое значение мощности бортовой аккумуляторной батареи. Это ограничение не должно вызывать изменения величины коэффициента связи K. 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 24 суммирования, первым пропорциональным регулятором 30, первым блоком 27 сравнения и блоком 20 вычисления входной мощности, на входы которого поступают сигналы I_н и U_н, пропорциональные току и напряжению бортовой аккумуляторной батареи.

Источники информации

1. Вершигора В.А., Игнатов А.П. и др. «Автомобиль ВА3-2108» - 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.