Оптимизация способов управления вентильно-индукторным двигателем на электрическом транспорте в тормозном режиме

С 80-х годов в иностранной научно-технической литературе появились материалы о новом перспективном типе электрического привода SRDSwidched Reluctance Drive. В последние годы практически во всех промышленно развитых странах многими исследовательскими центрами и фирмами ведутся активные разработки этого типа электропривода для различных областей применений. В таком приводе используется очень простая по конструкции и технологии изготовления электрическая машина с неодинаковым числом явно выраженных полюсов на статоре и роторе. На полюсах статора расположены сосредоточенные обмотки. Статорные обмотки переключаются специальным коммутатором (преобразователем) в функции положения ротора.

Не смотря на давнюю известность, вентильно-индукторные двигатели имели ограниченную область применения в силу сложности получения импульсов большой мощности, а также невозможности реализации высокоэффективных алгоритмов управления, обеспечивающих небольшие пульсации момента и высокий КПД. Однако с появлением в последние годы мощной преобразовательной и вычислительной техники ситуация меняется в сторону их более широкого применения.

Так, например, французская компания Radio-Energie (Marcoussis) [15] выпускает приводы и цифровые контроллеры для малых транспортных средств с напряжением питания 24 В. Двигатель может работать в четырех квадрантах с возможностью рекуперации энергии во время торможения. Диапазон мощностей от 0,7 до 2 кВт, частота вращения 3000 об/мин, КПД 80%. Контроллер позволяет отслеживать скорость, нагрузку, зону работы.

В нашей стране одно из внедрений ВИП было произведено заводами «Татэлектромаш» и «Ратеп» в сотрудничестве с кафедрой Электрического транспорта МЭИ в качестве мотор-компрессора троллейбуса и вагона метро.

Была разработана электрическая машина и преобразователь, привод прошел испытания и показал эффективность его использования. Пока область его применения сводится исключительно к двигательному режиму эксплуатации, однако в транспорте существует огромный класс задач связанный с вопросом создания тормозного момента (в том числе с малыми пульсациями) и работы двигателя в генераторном режиме. Это мотор-колеса, стартер-генераторы.

В ряде работ [7, 10, 35] дается описание структуры и возможностей компьютерных программ моделирования работы вентильно-индукторного двигателя, но нет достаточной информации о заложенных в них процедурах и расчетных соотношениях. Также большинство известных публикаций [1, 13, 17, 32, 34] рассматривают вопрос получения двигательного момента с минимальными пульсациями и вибро-шумовыми характеристиками.

В статье М. Г. Бычкова [1] рассматриваются вопросы оптимизации режимов вентильно-индукторного электропривода средствами управления. На базе упрощенных моделей ВИМ получены аналитические соотношения для токов и моментов в различных режимах работы привода и на различных участках цикла коммутации. Сформулированы оптимальные по энергетическим критериям условия управления процессом коммутации. Полученные результаты являются основой для построения системы управления ВИМ, обеспечивающей эффективное преобразование энергии в различных режимах работы. Аналитические соотношения для мгновенных значений тока и момента ВИМ на различных этапах цикла коммутации могут быть использованы при проектировании ВИМ для расчетов среднего значения момента, действующего значения тока и уточненного значения коэффициента электромеханического преобразования.

Однако, при рассмотрении генераторного режима вентильно-индукторного двигателя, большинство авторов лишь упоминают, что необходимо инвертировать угол управления, но не конкретизируют, что при этом свойства машины как объекта управления изменятся, как это будет показано в данной работе. Поэтому задачей автора было: наиболее полно отобразить процессы происходящие в двигателе в генераторном режиме с различными способами управления на базе имитационной модели ВИП.

Проверка адекватности имитационной модели проводилась на вышеупомянутом приводе.

Таким образом, целью диссертационной работы является: оптимизация способов управления вентильно-индукторным двигателем на электрическом транспорте в тормозных режимах.

Предметом исследований является электропривод на базе трехфазного вентильно-индукторного двигателя с числом зубцов статора и ротора 12/14 соответствен но.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

• Разработка математической модели системы «электрический преобразователь — вентильно-индукторный двигатель».

• Снятие экспериментальных данных в двигательном и генераторном режиме.

• Проверка адекватности математической модели.

• Оптимизация алгоритмов управления для режима максимального КПД.

• Оптимизация алгоритмов управления для режима торможения с постоянством момента.

Для решения поставленных в работе задач использовалась как теоретическая литература, так и техническая информация, взятая, в основном, из зарубежных источников: каталоги, технические данные устройств, руководства по их применению, интернет-ресурсы. При моделировании на ЭВМ различных режимов работы вентильно-индукторного двигателя использовалось средство визуального моделирования SIMULINK, входящее в программный пакет MATLAB 6.1. Экспериментальные исследования проводились на промышленном образце трехфазного ВИД с преобразователем тока.

В первой главе отмечены отличительные признаки и специфика работы ВИД: дискретность работы, нелинейность магнитной системы и изменение в широких пределах электромагнитных параметров ВИД;

— приведены основные геометрические параметры и соотношения, показана кусочно-линейная апроксимация зависимости индуктивности фазы от угла поворота ротора, используемая для описания вентильно-индукторного двигателя;

— описано электромеханическое преобразование энергии в ВИД: показана графическая интерпретации энергии и коэнергии, выведена формула мгновенного момента, приведен расчет коэффициента электромагнитного преобразования энергии;

— показаны основные достоинства и недостатки вентильно-индукторного двигателя и привода в целом.

Во второй главе с использованием средства визуального моделирования SIMULINK, входящего в состав математического пакета MATLAB, разработана математическая модель ВИП.

В программе предусмотрены различные варианты задания индуктивности фазы, в частности зависимость может быть задана аппроксимирующими прямыми линиями по известным значениям минимальной индуктивности, максимальной индуктивности и значениям углов начала перекрытия и полного перекрытия зубцов. При наличии экспериментально определенной кривой возможно использование полиномиальной зависимости 4-го, 5-го порядка, полученной из экспериментальных данных, путем обработки с помощью любого программного пакета.

Модель содержит выделенный блок фазы двигателя, который может быть использован нужное число раз по количеству фаз двигателя.

В модели предусмотрена возможность разрыва контура скорости для снятия характеристик при постоянстве частоты вращения, при нарастании частоты вращения.

Модель производит расчет коэффициента электромеханического преобразования, величины среднего момента и его пульсации на электрическом обороте при постоянстве скорости вращения для определения оптимальных управляющих воздействий.

В третьей главе описан испытательный стенд вентильно-индукторного электропривода мощностью 5 кВт, разработанный для экспериментальных исследований, включающий два промышленных образца ИД, два преобразователя тока, порошковый тормоз типа ПТ40, датчики тока, напряжения и контрольно-измерительную аппаратуру.

Определены омические сопротивления фаз ИД, снята зависимость индуктивности фазы от угла поворота ротора, сняты статические моментные характеристики и механическая характеристика в двигательном режиме работы, а также кривые токов фаз в двигательном и генераторном режимах работы.

На основе экспериментальных исследований проведена проверка адекватности математической модели ВИЛ. Подтверждена возможность использования математической модели, созданной в визуальной среде Matlab для оценки поведения реального ИД в различных режимах работы.

В четвертой главе приведено математическое описание вентильно-индукторного двигателя в генераторном режиме работы и рассмотрены способы управления при достижении максимального коэффициента электромеханического преобразования и минимальной пульсации момента.

Проведен анализ зависимости коэффициента электромеханического преобразования от способа управления.

Рекомендован алгоритм оптимизации способа управления для ВИП разной конструкции и мощности в режимах оптимизации по коэффициенту электромеханического преобразования и по пульсации момента.

Сделан вывод о неэффективности генераторного режима при токоограничении. Рекомендуется регулировать момент путем снижения напряжения инвертора, используя преобразователь уровня напряжения.

В заключении обобщены основные результаты работы.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. |А.В. Сафронов|, М. Г. Колобов, А. В. Амелькин, М. В. Логинов, Д. В. Елисеев. Торможение одноименно-полюсных индукторных машин // Девятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докл. — М., Моск. энерг. ин-т, 2003. — Т. 2. — С. 143 — 144.

2. |А.В. Сафронов|, А. В. Амелькин, П. Л. Бураков. Математическая модель вентильно-индукторного двигателя // Пятая Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение»: Труды МКЭЭЭ-2003. докл. — Крым, Алушта, 2003. — Ч. 2. — С. 170−173.

3. А. В. Амелькин. Разработка вентильно-индукторного привода для вагонов метрополитена // Пятая Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение»: Труды МКЭЭЭ-2003. докл. — Крым, Алушта, 2003. — Ч. 1. — С.720−721.

4. М. А. Слепцов, А. В. Амелькин, Построение математической модели вентильно-индукторного двигателя // Вестник ГЭТ России — 2003. — № 5. -С. 25−30.

1. Основные свойства вентильно-индукторного двигателя.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Разработана имитационная модель в среде MATLAB, для оценку коэффициента электромеханического преобразования, пульсаций момента, потребляемой и отдаваемой мощности, действующего значения тока фазы при различных способах управления ВИД.

2. Рекомендован алгоритм оптимизации способа управления для ВИД разной конструкции и мощности в режимах оптимизации по коэффициенту электромеханического преобразования и по пульсации момента во всем диапазоне изменения нагрузки и частоты вращения.

3. Анализ работы привода на низких скоростях показал, что для поддержания постоянного момента при работе фазы в токовом коридоре следует изменять угол включения фазы в сторону отставания, либо уменьшать напряжение, подводимое к фазе ВИД, с целью сохранения постоянства момента без режима токового коридора.

4. Предложена структурная схема и алгоритм управления вентильно-индукторным двигателем в генераторном режиме работы.

5. Сравнение результатов моделирования ВИД, его механических характеристик и кривых токов с характеристиками и осциллограммами, полученными экспериментально, подтверждают адекватность созданной имитационной математической модели с погрешностью менее 10%.

6. Рекомендованы желаемые свойства будущих разрабатываемых ВИП для задач с торможением и рекуперацией. Для реализации качественного управления требуется микропроцессорная система управления. Соотношение проводимостей максимальной к минимальной должно быть как можно выше.

7. Показано, что данный ВИД может работать в генераторном режиме с коэффициентом электромеханического преобразования 0,53 при этом пульсации момента составляют 39%.