Modern trends in electric motor control

Full Text

Одним из перспективных классов электрических машин для электроприводов гибридных автомобилей являются двигатели переменного тока как асинхронные, так и вентильные. Электродвигатели переменного тока подключаются от высоковольтной аккумуляторной Li-Ion или Ni-Cd батареи напряжением (400…600 В) через преобразователь постоянного тока в переменный (DC/AC). Управление таким электроприводом осуществлялось релейной «классической» схемой или с помощью частотного управления через преобразователь частоты напряжения питания. Вентильные двигатели (ВД) имеют все достоинства двигателей постоянного тока по регулировочным и механическим характеристикам. Благодаря отсутствию механического коллектора они обладают высокой надежностью, большими отношениями «момент на единицу массы», бесконтактностью и отсутствием узлов, нуждающихся в обслуживании [1]. ВД обладают уникальным сочетанием свойств, недостижимым для других типов электрических машин (асинхронных, коллекторных постоянного тока, индукторных), а именно - высокой энергетической эффективностью, повышенными динамическими свойствами, малыми массой и габаритами, хорошей управляемостью. До недавнего времени основным фактором, препятствующим широкому внедрению ВД, являлась повышенная стоимость изготовления ротора с постоянными магнитами по сравнению с производством роторов для других типов электрических машин. Однако заметный прогресс как в производстве самих магнитов, так и в технологии сборки роторов привел в последнее время к заметному снижению стоимости ВД, а многообразие современных магнитных материалов и магнитных систем позволяет предельно гибко и эффективно проектировать ВД с заданными параметрами. Более того, использование новейших достижений в областях силовой и информационной электроники позволяет реализовывать различные алгоритмы управления ВД для обеспечения регулирования выходных параметров электроприводов. Однако в состав классических ВД входит узел датчика положения ротора (ДПР), что существенно удорожает конструкцию и предполагает наличие проводной связи этого узла с электронным преобразователем, управляющим работой ВД. Поэтому во всем мире проводятся интенсивные работы по созданию синхронных двигателей с возбуждением от постоянных магнитов без ДПР, в которых определение углового положения ротора осуществляется системой управления [2]. Обычно включение электроприводов переменного тока осуществлялось по схеме классического прямого пуска, что требовало больших затрат мощности от источника питания. На рисунке 1 приведена типовая релейная схема подключения двигателя переменного тока. В настоящее время применительно к вентильным двигателям существуют и более совершенные системы управления, например векторное управление [3]. Идея управления основывается на использовании выражения для момента двигателя в форме: где: m, p - число фаз и пар полюсов двигателя; - результирующее потокосцепление на пару полюсов, обусловленное потоками в зазоре, создаваемыми токами статора и ротора; - ток статора; - угол между векторами потокосцепления и тока и . Управляя величинами и в соответствии с информацией о реальных значениях потокосцеплений , токов и скоростей ротора можно организовать управление моментом М и скоростью n2. При этом можно обеспечить механические и регулировочные характеристики вентильного двигателя. Рисунок 1. Электрическая схема управления вентильным автомобильным электроприводом Компания International Rectifier предлагает систему управления ВД, которая называется iMotion. При разработке системы iMotion компанией International Rectifier для определения положения ротора был применен алгоритм на жесткой логике - Motion Control Engine (MCE). Участие микроконтроллера заключается лишь в конфигурировании параметров MCE. Это позволяет применять простой и дешевый микроконтроллер без снижения быстродействия и качества работы системы электропривода [3]. Рисунок 2. Система управления вентильным двигателем Чтобы достичь максимального момента вращения, алгоритм токового управления с обратной связью по скорости использует положение угла ротора для синхронизации токов двигателя с потоком ротора. На рисунке 2 показан общий вид системы управления ВД с контроллером IRMCS3041. Расчетная математическая модель схемы замещения цепей обмоток ротора и статора ВД для векторного управления (рисунок 3) представлена в виде систем уравнений (2, 3): Рисунок 3. Схемы замещения цепей обмоток ротора и статора ВД для векторного управления Потокосцепление статора в формуле (2) зависит от индуктивности и тока обмотки , а также потокосцепления ротора , обеспечиваемого постоянным магнитом. Напряжение на статоре в формуле (3) зависит от активного сопротивления и тока обмотки , а также от производной потока статора. Рисунок 4. Векторные диаграммы Для оценки эффективности электропривода и его схемы управления разработан аппаратно-программный комплекс, который позволяет осуществить: · измерение значения действующих напряжений и силы переменного тока в трехфазной сети; · измерение активной, реактивной и полной мощности, определение коэффициента мощности в трехфазной сети; · измерение частоты основной гармоники сетевого напряжения; · измерение угла между напряжением и током в каждой фазе. Построение векторных диаграмм; · измерение гармонических составляющих токов и напряжений в интервале до 50-й гармоники; · отображение уровней гармоник напряжения и тока в виде графика амплитудного спектра; · определение коэффициента нелинейных искажений по напряжению и току; · определение несимметрии напряжений по нулевой и обратной последовательности; · регистрация параметров сети электроснабжения с установленной частотой и сохранение их в электронные счетные таблицы MS Excel. На векторной диаграмме (рисунок 4) показано потребляемое напряжение и ток из трехфазной сети электродвигателем переменного тока со следующими параметрами Uн = 380 В, Iн = 2,4 А, общей мощностью 0,75 кВт. Система также определяет необходимую реактивную составляющую для выбора компенсирующих устройств [4]. При расчете компенсационных устройств реактивной мощности для производственных помещений используется база технологических знаний системы, из которой оператору предоставляется необходимый коэффициент мощности. Выводы 1. Проведенные исследования схемы векторного управления компании International Rectifier для управления бездатчиковым вентильным электродвигателем показали ее эффективность и пригодность для автомобильных электроприводов, раблотающих в режимах пуска, торможения и реверса, т.е. в переходных режимах. Блок управления контроллером IRMCS3041 также обеспечивает эффективное энергосбережение и рекуперацию энергии. 2. Использование разработанного измерительного аппаратно-программного комплекса позволит оценивать основные энергетические параметры автомобильных электроприводов с двигателями переменного тока и выбрать нужную схему электронного управления при их конструировании.

About the authors

D. V Zhmatov

Moscow Institute of Energy Security and Energy Saving; Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: absh-sila@rambler.ru. gorval169@yandex.ru. light62@mail.ru

V. P Gorkin

Moscow Institute of Energy Security and Energy Saving; Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: absh-sila@rambler.ru. gorval169@yandex.ru. light62@mail.ru

E. E. Pakhomov

Moscow Institute of Energy Security and Energy Saving; Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: absh-sila@rambler.ru. gorval169@yandex.ru. light62@mail.ru

References

Supplementary files