Study of operation of the model of an integrated starter-generator in generator mode

Abstract

The article discusses the simulation of a generator mode of an integrated starter-generator in Matlab Simulink. The authors conduct the study of the model of main characteristics of the integrated starter-generator in generator mode. The simulation results compared with the results of analytical calculations.

Full Text

В последние годы значительный интерес проявлен к созданию гибридных автомобилей, а также автомобилей, содержащих интегрированный стартер-генератор (ИСГ). ИСГ, как подразумевается в названии, совмещает обычный стартер и генератор переменного тока в одной электрической машине. Транспортное средство, оборудованное ИСГ, считается «не- полным» гибридом, потому что способно осуществлять большинство функций гибридного автомобиля [1, 5]. Разработка надежного, с умеренными весогабаритными характеристиками, ИСГ явля- ется в настоящее время актуальной задачей. Базовой электрической машиной ИСГ является синхронная машина с возбуждением от постоянных магнитов (СМПМ). Анализ по выбору постоянных магнитов для магнитных систем ИСГ проведен в работе [7]. В [2] рассматрива- лись вопросы моделирования работы ИСГ в режиме пуска. Наряду с исследованием работы ИСГ в режиме пуска автомобиля, не менее важной задачей является исследование на модели генераторного режима работы ИСГ. Электромагнитная часть ИСГ (без блока управления, содержащего узел стабилизации выходного напряжения ИСГ и управляющий микроконтроллер) приведена на рисунке 1. Рисунок 1. Электромагнитная часть интегрированного стартер-генератора: 1 - статор; 2 - ротор; 3 - постоянные магниты; 4 - 3-х фазная обмотка, подключаемая к 3-х фазному инвертору (коммутатору) Для управления работой ИСГ используется силовой каскад, изображенный на рисунке 2 и содержащий 3-х фазный инвертор (коммутатор). ИСГ в генераторном режиме работает как вентильный магнитоэлектрический генератор, поскольку в указанном режиме в 3-х фаз- ном инверторе силовые транзисторные MOSFET ключи VT1-VT6 закрыты, а шунтирующие ключи диоды VD1-VD6 образуют 3-х фазную двухполупериодную схему выпрямления [2, 5]. Основными задачами исследования на модели генераторного режима работы ИСГ являются: исследование работы вентильного генератора без стабилизации выходного напряжения, на холостом ходу и под нагрузкой; определение конструктивных параметров электрической машины (СМПМ), а именно: числа пар полюсов ротора и статора, рациональной конструкции магнитной системы ро- тора; исследование внешних характеристик вентильного генератора Ud=f(Iн); исследование токоскоростной характеристики вентильного генератора Id=f(nрт) при U=Udn, где Udn - номинальное напряжение вентильного генератора, равное 36 В. Рисунок 2. Силовой каскад интегрированного стартер-генератора В настоящее время наиболее распространенным и эффективным средством имитацион- ного моделирования электромеханических устройств является использование библиотеки пакета Sim Power System среды Matlab Simulink [3]. Использование имитационного моделирования в среде Matlab Simulink (Simulink вер- сия 6.2) позволяет исследовать не только динамические характеристики мехатронных си- стем, но и ее статические характеристики, такие как: нагрузочные характеристики, энергети- ческие характеристики, регулировочные характеристики [3]. Структурная схема модели ИСГ в генераторном режиме приведена на рисунке 3. Ос- новными элементами модели являются: блок Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM), моделирующий СМПМ; 3-х фазный двухполупериодный выпрямитель (блок Universal Bridge); измерительные блоки Tree-Phase V-1 Measurement и Machines Measurement Demux, слу- жащие для согласования работы блоков модели, а также позволяющие измерять перемен- ные блоков. Выходными сигналами измерительных блоков являются сигналы моделей Simulink, которые подаются на блоки визуализации Scope; нагрузка на выходе 3-х фазного двухполупериодного выпрямителя (блок Parallel RCL Branch), позволяющая имитировать активную нагрузку, подключенную на выход генера- тора. измеритель напряжения (блок Voltage Measurement) и тока (блок Current Measurement) в нагрузке; блок задания частоты вращения привода генератора, содержащий блок Constant и блок усилителя К, состоящего из блока Constant1 и блока умножения Product. Рисунок 3. Структурная схема модели ИСГ в генераторном режиме Основным элементом модели является блок PMSM, моделирующий СМПМ и описыва- емый системой дифференциальных уравнений в двухфазной, вращающейся синхронно с ро- тором системе координат dq [3]:  d   dt id d  1 u Ld R L id d Lq Ld p   iq ,  d i  1 u R i Lq  p   i    p    L  dt q q q q q Lq Ld Lq , (1)  M e  1,5  p    iq  Ld  Lq  id  iq ,   d 1    M  F    M .  dt J м e где: id iq - проекции тока статора на осях d и q, соответственно, А; ud, uq - проекции напряже- ния подводимого к статору на осях d и q, соответственно, В; Ld, Lq - индуктивности синхронной машины по продельной и поперечной оси, Гн; R - активное сопротивле- ние фазы статора, Ом; p - число пар полюсов; ω - частота вращения ротора, рад/с; ψ - потокосцепление фазы статора, Вб; Mм - механический момент привода, Н◌ּ м; F - коэффициент, учитывающий трение в подшипниках электрической машины, Н◌ּ м◌ּ с; J - момент инерции электрической машины; Me - электромагнитный момент электрической машины, Н◌ּ м. При реализации генераторного режима блока PMSM возникает задача задания частоты вращения привода генератора, т.к. изначально в блоке предполагается задание вращающего момента. В модели эта задача решена следующим образом. Задание частоты вращения при- вода генератора осуществляется блоком константы Constant. Это значение сравнивается с текущим значением частоты вращения на выходе блока PMSM. Полученный сигнал ошибки с сумматора подается через усилитель на вход Tm блока PMSM. В таблице 1 перечислены параметры блока PMSM. При моделировании генераторного режима ИСГ на холостом ходу проводилось опре- деление среднего значения выпрямленного напряжения на выходе 3-х фазного вентильного генератора и сопоставление полученных значений с результатами аналитического расчета. Формула для аналитического расчета среднего значения напряжения вентильного генератора в режиме холостого хода Ud имеет вид [4]: pn Ud  4ku k ko1 60 Ф0 W , (2) где: ku - коэффициент выпрямления, зависящий от числа и схемы соединения фаз, равный Ud/Uф выпрямления. Для 3-х фазной двухполупериодной схемы выпрямления ku= 2,34[4]; kγ - коэффициент выпрямления, учитывающий реальную коммутацию вы- прямительных диодов 3-х фазной схемы выпрямления, равный (1-cosγ)/2, принимае- мый для режима холостого хода генератора, равным 1 [6]; n - частота вращения ро- тора, мин-1. Параметры блока Permanent Magnet Synchronous Machine Таблица 1 №/№ Параметр Величина, единица из- мерения Примечание 1. Resistance R(Ohm) Электрическое сопро- тивление фазы R, Ом 4◌ּ 10-3 2. Inductances Ld(H) Lq(H) Индуктивность Ld и Lq, Гн Ld=Lq=160◌ּ 10-6 3. Flux induced by magnets (Wb) Потокосцепление фазы ψ, Вб Ψ=Ф0◌ּ W◌ּ kо1,где: Ф0 - магнитный поток в воздушном за- зоре, равный 1,1◌ּ 10-3 Вб; W - число витков фазы статора, равное 24; kо1 - обмоточный коэффициент, равный 0,98. 4. Inertia J(kg.m^2) Момент инерции ротора электрической машины J, кг◌ּ м2 5 5. Friction factor F(N.m.s) Коэффициент, учитыва- ющий трение F, Н◌ּ м◌ּ с - 6. p Число пар полюсов элек- трической машины 12 В таблице 2 приведено сравнение значений Ud на различных частотах вращения ИСГ с аналитическим расчетом, полученным по формуле (2). Как видно из таблицы, расхождение результатов моделирования и результатов аналитического расчета незначительно, что позво- ляет утверждать о применимости модели для исследования ИСГ в генераторном режиме. Таблица 2 Среднее значение напряжения на выходе вентильного генератора №/№ Частота ращения n, мин-1 Ud, В Расхождение,% Модель расчет 1. 1900 80 80,5 0,63 2. 2850 123 124,1 0,89 3. 3800 165 166,2 0,73 Для оценки адекватности модели в режиме работы ИСГ под нагрузкой были определе- ны внешние характеристики ИСГ в генераторном режиме (рисунок 4) на частотах вращения ω =200 рад/с (n=1900 мин-1), ω =300 рад/с (n=2850 мин-1) и ω =400 рад/с (n=3800 мин-1) и проведено их сравнение с расчетными данными, выполненными по формулам [6]: U Н  U  2U R  2U Д , (3) где: UН - среднее напряжение вентильного генератора на нагрузке, В; ΔUД - падение напря- жения на диоде выпрямителя, В; U - среднее напряжение на выходе 3-х фазного двухполупериодного выпрямителя, работающего под нагрузкой, определяемое по формуле [6]: U  4т1 E  sin  sin  cos2  , dm (4)  m1 2m1 2 где: Edm - амплитудное значение ЭДС фазы генератора с учетом продольной составляющей реакции якоря, В [6]; γ - угол коммутации вентилей 3-х фазного двухполупериодно- го выпрямителя, рад [6]; m1 - число фаз выпрямления, равное 3; ΔUR - среднее паде- ние выпрямленного напряжения на активной нагрузке за период коммутации π/m1, определяемое по формуле [6]:  т  U R  rф IН 1  1  , (5)  2  где: IН - средний ток нагрузки, А; rф - сопротивление фазы генератора, Ом. Рисунок 4. Внешние характеристики ИСГ в генераторном режиме: модель (1- при n=1900 мин-1; 2- при n=2850 мин-1; 3 - при n=3800 мин-1), расчет (4- при n=1900 мин-1; 5- при n=2850 мин-1; 6 - при n=3800 мин-1) Рисунок 5. Токоскоростная характеристика вентильного магнитоэлектрического генератора На практике [6] соотношения 2ΔUR/ UН=0,1÷0,15; 2 ΔUД/ UН=0,03÷0,06. Снижение выпрямленного напряжения происходит в основном за счет индуктивного сопротивления при коммутации. Уменьшение выпрямленного напряжения на нагрузке оце- нивается коэффициентом коммутации kγ1, определяемым по формуле [6]: U    k   cos2  . (6) U d 1  2  Проведенный анализ показывает, что внешние характеристики, полученные в результа- те моделирования, близки к расчетным внешним характеристикам. Расхождение результатов моделирования и расчета составляет в среднем 9%, что является удовлетворительным. Ос- новное падение напряжения с ростом нагрузки происходит за счёт коммутационных процес- сов в выпрямителе и размагничивающего действия реакции якоря. На рисунке 5 приведена токоскоростная характеристика вентильного генератора Id=f(nрт). В результате проведенной работы были получены следующие результаты: Разработана имитационная математическая модель стартер-генераторной установки в ге- нераторном режиме в пакете Matlab Simulink. Проведено моделирование генераторного режима ИСГ (без стабилизации выходного напряжения) на холостом ходу и под нагрузкой, работающего в заданном диапазоне ча- стоты вращения ротора. Проведенное моделирование позволяет быстро и эффективно решать задачи рациональ- ного проектирования ИСГ, заключающегося в изменении конструктивных параметров СМПМ. Получена приемлемая погрешность результатов моделирования с результатами аналитических расчетов.