СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Полезная модель относится к электромеханике, а именно - к системам управления вентильно-индукторными двигателями, которые являются относительно новым типом электромеханического преобразователя энергии, который сочетает в себе свойства и электрической машины, и интегрированной системы регулируемого электропривода. Полезная модель может быть использована в электроприводах, работающих в составе систем автомобильного и автотракторного электрооборудования, а так же в других электромеханических системах.
Любой вентильно-индукторный двигатель (ВИД) имеет в своем составе индукторную машину (ИМ) и силовой преобразователь, осуществляющий коммутацию фазных обмоток ИМ к полюсам источника питания в соответствии с заложенным в устройство управления силовыми ключами полупроводникового коммутатора (ПК) силового преобразователя алгоритмом и сигналами обратной связи, поступающими на устройство управления от датчика положения ротора.
Управление ВИД подразумевает различного рода воздействия на состояние силовых полупроводниковых ключей ПК, приводящих к изменению состояния ИМ и процессов, протекающих в ней, и довольно часто сопровождается множеством трудностей, связанных, в первую очередь, с относительной новизной двигателей данного типа.
Известны [1] методы управления ВИД наиболее часто встречающейся 4-х фазной конфигурации 8/6 (ИМ имеет 8 полюсов на статоре и 6 полюсов на роторе). Одним из наиболее распространенных вариантов управления таким ВИД является независимая (раздельная) коммутация фазных обмоток ИМ. На фиг.1 приведена типовая схема используемого при этом в системе управления ВИД полупроводникового коммутатора, в котором для коммутации к источнику питания (Е) каждой фазы, например фазы А, необходимо два силовых транзистора (VT1, VT2) и два диода (VD1, VD2), что делает полупроводниковый коммутатор громоздким и дорогостоящим, а, в конечном итоге, негативно сказывается на полной стоимости двигателя.
Известно [2], что одним из наиболее эффективных вариантов снижения стоимости ВИД является уменьшение числа силовых полупроводниковых ключей входящего в систему управления ВИД ПК, поскольку они являются наиболее дорогостоящими компонентами силового преобразователя. С этой целью фазные обмотки ИМ соединяют по схеме «звезда». Схема полупроводникового коммутатора (фиг.2) в этом случае упрощается, а количество его силовых полупроводниковых ключей сокращается вдвое. Однако, управление ИМ, и без того довольно сложное, становится еще более трудоемким: если в классической схеме (фиг.1) возможна полностью независимая коммутация фазных обмоток, которые не имеют непосредственной электрической связи друг с другом, то в данном случае (фиг.2) в каждый момент времени ток протекает одновременно по нескольким электрически связанным друг с другом фазам. На фиг.3 изображены состояния магнитной системы двигателя с фазными обмотками, соединенными по схеме «звезда».
С одной стороны, данный подход (соединение фазных обмоток ИМ по схеме «звезда») может способствовать снижению пульсаций электромагнитного момента на валу двигателя, с другой стороны, ухудшаются его энергетические характеристики за счет возникновения у отработавших фаз замкнутых контуров протекания тока, не содержащих, в отличие от классической схемы, встречновключенного источника Э.Д.С: если ток фазы не спадает до нулевого значения к моменту наступления ее согласованного состояния, фаза развивает отрицательный электромагнитный момент, что приводит к уменьшению выходной мощности двигателя.
Известно, что величина выходной мощности ВИД определяется выбранным алгоритмом работы устройства управления силовыми ключами полупроводникового коммутатора (далее - устройство управления или УУ). Наиболее эффективным механизмом воздействия на выходную мощность является варьирование моментов подключения и отключения обмоток отдельных фаз к полюсам и от полюсов источника питания, т.е. моментов начала и окончания процесса возбуждения фаз [1]. При этом возбуждение фазы начинают раньше, чем она достигнет своего рассогласованного состояния, и заканчивают до достижения фазой своего согласованного состояния. Моменты начала и окончания возбуждения фаз вычисляются по текущему угловому положению ротора, поскольку оно однозначно определяет состояние каждой фазы ИМ (рассогласованное, согласованное, промежуточные). Для получения информации о текущем угловом положении ротора используется датчик положения ротора (ДПР), который в зависимости от типа может предоставлять как непрерывную, так и дискретную информацию о текущем угловом положении ротора.
Описанный выше подход позволяет несколько улучшить энергетические характеристики (уменьшается тормозной момент, а значит, увеличится к.п.д. и максимально возможная выходная мощность на валу рассматриваемого ВИД) ВИД, однако, при этом начинает вызывать большие затруднения процесс запуска двигателя - появляется вероятность его реверсивного вращения. При опережающих углах управления вращение ротора двигателя в обратную сторону тоже возможно, однако в этом случае углы управления становятся сильно отстающими и ротор вращается относительно медленно. Для того чтобы предотвратить реверсивное вращение, необходимо, чтобы первоначальный толчок ротора произошел именно в сторону требуемого направления вращения. Если же произойдет обратное, ротор будет вращаться в противоположную сторону до снятия напряжения питания.
Существует несколько способов решения данной проблемы (устранения реверсивного старта двигателя). Один из наиболее простых предполагает отслеживание устройством управления направления вращения ротора. В зависимости от предстартового положения ротора возможен его пуск, как в прямом, так и в обратном направлении. Предстартовое положение ротора, в свою очередь, является случайной величиной. Таким образом, устройство управления, зафиксировав реверсивный старт, должно немедленно остановить ротор, путем снятия управляющих импульсов с силовых ключей ПК и повторить запуск. Необходимо подчеркнуть, что полная остановка вала перед повторным запуском обязательна, поскольку из практики работы с физическим макетом установлено, что даже небольшой толчок ротора в любую сторону, в данной ситуации, немедленно инициирует вращение ротора в эту же сторону. Исходя из того, что интервалы, предстартовое расположение ротора в которых приводит к запуску в прямом и обратном направлениях, равны, вероятность пуска в правильном направлении при повторном запуске равна 50%. Таким образом, небольшое число итераций (повторных запусков или попыток) приводит к пуску двигателя в требуемом направлении.
Пример подобного решения проблемы реверсивных стартов приведен в [3]. Несомненно, описанный метод устранения реверсивных стартов может успешно применяться, однако существует ряд приложений, для которых вращение ротора в противоположную сторону неприемлемо в принципе, даже если угол поворота измеряется несколькими градусами. К таким приложениям могут быть отнесены стартер-генераторные установки автомобилей. Кроме того, гидроусилители рулевой тяги, работающие в режиме «старт - стоп» должны немедленно реагировать на поворот рулевого колеса и пускаться в работу. При этом дополнительного времени на торможение ротора и повторные запуски такие системы не имеют. Таким образом, подобное решение пригодно только в случае, когда двигатель приводит во вращение системы, предполагающие длительный период непрерывной работы, некритичные к непродолжительному вращению в направлении, противоположном заданному. Среди таких систем наиболее распространенными являются вентиляторы и насосы.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в создании энергетически и экономически эффективных электрических двигателей, отличающихся повышенной надежностью.
Технический результат, который можно получить при использовании заявленной полезной модели, состоит в исключении реверсивного старта ВИД с улучшенными энергетическими характеристиками и экономическими показателями
Указанный выше технический результат при осуществлении изобретения достигается за счет того, что система управления вентильно-индукторным двигателем, реализованным на базе индукторной машины, фазные обмотки которой соединены по схеме «звезда», характеризуется тем, что она входит в состав осуществляющего коммутацию фаз индукторной машины к источнику питания силового преобразователя двигателя и содержит устройство управления силовыми ключами полупроводникового коммутатора силового преобразователя, датчик положения ротора, дискретность которого равна 90 электрическим градусам или величине, умножение которой на любое целое число составляет 90 электрических градусов, и блок изменения фазы сигналов датчика, вносящий фазовую задержку в показания датчика, при этом поступающие от устройства управления системы управления ВИД на ключи полупроводникового коммутатора силового преобразователя управляющие сигналы в установившемся режиме работы формируются на основании выходных сигналов датчика положения ротора таким образом, что возбуждение каждой фазы индукторной машины начинается на 45-95 электрических градусов ранее момента наступления ее рассогласованного состояния, а отключение фазы - через 180 электрических градусов после начала ее возбуждения, а при пуске двигателя управляющие сигналы формируются на основании сигналов, поступающих от блока изменения фазы сигналов датчика, имеющих отставание в 90 электрических градусов от текущих показаний датчика.
Данной полезной модели по сравнению с известной системой управления ВИД с независимой коммутацией фазных обмоток ИМ присущи более высокие экономические показатели: снижение себестоимости системы управления ВИД является следствием соединения фазных обмоток ИМ по схеме «звезда», при котором уменьшается число силовых полупроводниковых ключей, входящих в состав силового преобразователя системы ПК.
Для увеличения выходной мощности ВИД возбуждение фазы начинают раньше, чем она достигнет своего рассогласованного состояния, и заканчивают до достижения фазой своего согласованного состояния (использование опережающих углов управления). Для исследуемого ВИД, фазные обмотки индукторной машины которого соединены по схеме «звезда», установлено, что максимальная мощность, которую двигатель может развить на своем валу, может быть достигнута в том случае, если возбуждение фаз начинается на 95 электрических градусов (угол опережения) раньше достижения фазами своего рассогласованного состояния (опережающая коммутация) и длится в течение 210 электрических градусов. Для того же двигателя номинальная выходная мощность может быть достигнута при угле опережения, равном 70 электрических градусов и длительности интервала возбуждения 180 электрических градусов. Моменты начала и окончания возбуждения фаз вычисляются по информации о текущем угловом положении ротора, которая поступает в устройство управления от датчика положения ротора (ДПР).
В заявленной системе управления ВИД применяется ДПР, дискретность которого составляет 90 электрических градусов либо величину, умножение которой на любое целое число может дать 90 электрических градусов.
Экспериментально установлено, что для ВИД, фазные обмотки индукторной машины которого соединены по схеме «звезда», введение углов опережения, превышающих 45 электрических градусов, приводит к появлению вероятности реверсивного старта двигателя, которая возрастает с ростом угла опережения.
Перед пуском машины в ход точное положение ротора определено быть не может (датчик положения ротора выбранного типа способен указывать системе управления только интервалы длительностью 90 электрических градусов), и устройство управления системы возбуждает фазы машины в соответствии с показаниями датчика так же, как это должно происходить в процессе нормального вращения ротора. Однако в данном случае ротор может начать вращаться в обратную сторону. Анализ причин возникновения реверсивных пусков в ВИД с фазными обмотками, соединенными по схеме «звезда», приведен в комментариях к фиг.4 в разделе описания «перечень фигур чертежей».
Если предположить, что для всех рассмотренных на фиг.4 положений ротора возбужденными оказываются не фазы А и В, а фазы D и А (см. фиг.5), то не возникает никаких сомнений, что ротор начнет движение против часовой стрелки, при этом угол опережения будет составлять 5 электрических градусов. Запустив двигатель в данном режиме, не составит труда осуществить в дальнейшем переход к углу опережения 95 электрических градусов.
Еще одним преимуществом данного подхода является то, что при переходе от угла опережения 5 электрических градусов к углу опережения 95 электрических градусов и обратно, не возникает никаких затруднений, поскольку дискретность используемого ДПР составляет именно 90 электрических градусов, поэтому данные переходы осуществляются лишь за счет изменения алгоритма обработки его показаний. В том случае, если двигатель работает с любым другим углом опережения, находящимся в интервале (45-95) электрических градусов использование данного подхода также эффективно.
Таким образом, устройство управления системы управления ВИД в процессе пуска двигателя в ход изменяет алгоритм своей работы так, что формируемые импульсы управления ключами ПК соответствуют не текущим показаниям ДПР, а предшествующим (их всего четыре), которые отстают от текущих показаний на 90 электрических градусов.
Предлагаемый метод решения данного вопроса, заключающийся в управлении ПК с отставанием 90 электрических градусов от показаний ДПР, предполагает полное исключение возможности старта ротора в обратном направлении. Эффективность данного метода подтверждена испытаниями, проведенными на реальном объекте при различных предстартовых положениях ротора. Кроме того, ротор машины раскручивался в правильном направлении даже в том случае, если перед стартом он был принудительно приведен во вращение в обратном направлении.
Изменение порядка следования возбуждаемых фаз при этом отражено в таблице (таблица составлена на базе фиг.6).
Таблица.
Порядки следования возбуждаемых фаз ВИД
Сигналы ДПР
Фазы, возбуждаемые в нормальном режиме
Фазы, возбуждаемые при пуске
Ud1
Ud2
1
1
А, В
D, A
0
1
В, С
А, В
0
0
C, D
В, С
1
0
D, A
C, D
С целью реализации вышеуказанного метода исключения реверсивного старта ВИД в систему управления ВИД введен блок изменения фазы сигналов ДПР. Таким образом, устройство управления в любом режиме работы реализует один и тот же алгоритм управления ПК, однако в процессе пуска двигателя сигналы, идущие с ДПР, заменяются сигналами, отстающими от них на одну ступень (вместо "11"-"10", вместо "01"-"11" и т.д.).
Для пояснения сущности заявленного изобретения представлены следующие графические материалы:
Фиг.1 - схема полупроводникового коммутатора ВИД с независимой коммутацией фаз ИМ.
Фиг.2 - схема полупроводникового коммутатора ВИД с фазными обмотками, соединенными по схеме «звезда».
На фиг.3 изображены состояния магнитной системы двигателя с фазными обмотками, соединенными по схеме «звезда»:
- 3а) - рассогласованное состояние фазы А
- 3б) - согласованное состояние фазы А
- 3в) - промежуточное состояние фазы А.
На фиг.4 изображена магнитная система машины при трех различных положениях ротора: а) начальное положение ротора при включенных фазах А и В; б) промежуточное положение ротора; в) конечное положение ротора.
Пояснения (комментарии) к анализу причин возникновения реверсивных пусков ВИД с фазными обмотками, соединенными по схеме «звезда»:
Серым цветом на статоре показаны возбуждаемые при пуске фазы (А и В), угол опережения составляет 95 электрических градусов. На фиг.4а, ротор расположен в начале 95-градусного интервала, в течении которого одновременно возбуждены фазы А и В (в соответствии с вращением против часовой стрелки). Направление вращения ротора в данном случае неочевидно. Если вращение ротора начнет происходить по часовой стрелке, то, поскольку данное состояние является пограничным, ключ фазы В (VT2) будет немедленно разомкнут, а ключ фазы D (VT4) - замкнут. Если бы система была идеально симметричной, ротор начал бы колебаться вблизи этого состояния. На практике колебаний никогда не возникает, и ротор начинает вращаться в одном из направлений. В том случае, если ротор расположен так, как это показано на фиг.4б, при абсолютно симметричной магнитной системе обе фазы находятся в равных условиях, подобное состояние является состоянием неустойчивого равновесия системы, при этом любое незначительное воздействие может его нарушить и ротор начнет движение, причем направление движения так же равновероятно. Стоит заметить, что если ротор в процессе пуска находился между положениями, показанными на фиг.4а и 4б, то наиболее вероятно, что он начнет вращаться по часовой стрелке, т.к. его зубец в данном интервале более приближен к зубцу фазы В статора. Фиг.6в иллюстрирует конечное положение ротора для рассматриваемого 95-градусного интервала. Не трудно видеть, что подобное расположение сердечников приводит к возникновению ситуации, аналогичной рассмотренной для начала данного интервала. Если же ротор занимает промежуточное положение между положениями показанными на фиг.4б и 4в, то наиболее вероятным будет его движение против часовой стрелки.
Фиг.5 - приведены иллюстрации к пояснению устранения реверсивных пусков в ВИД с фазными обмотками, соединенными по схеме «звезда»: а) начальное положение ротора при включенных фазах А и D; б) промежуточное положение ротора; в) конечное положение ротора.
На данной фигуре при расположении ротора, эквивалентном показанному на фиг.6, возбуждаемыми фазами являются А и D а не А и В, что для нормального (установившегося) режима работы, согласно таблице, соответствует показаниям ДПР, запаздывающим на одну ступень (90 эл.град.). Очевидно, что при всех показанных положениях ротора пондеромоторные силы притяжения будут направлены так, что ротор начнет движение против часовой стрелки.
Фиг.6 - временные диаграммы управления ключами ПК.
На фиг.7 представлена структурная схема системы управления ВИД.
Фиг.8 - схематичное изображение ДПР.
Ниже приводятся сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели, с получением вышеуказанного технического результата.
Заявляется (см. фиг.7) система управления ВИД 1, реализованным на базе 4-х фазной индукторной машины 2 конфигурации 8/6 с фазными обмотками, соединенными по схеме «звезда», входящая в состав осуществляющего коммутацию фазных обмоток ИМ к полюсам источника питания 3 силового преобразователя (показан пунктиром) 4 с полупроводниковым коммутатором 5. Система управления ВИД 1 содержит в свою очередь устройство управления силовыми ключами полупроводникового коммутатора 6, датчик положения ротора 7 и блок изменения фазы сигналов датчика 8.
В рассматриваемой системе управления ВИД применяется полупроводниковый коммутатор для ИМ, фазные обмотки которой соединены по схеме «звезда». Электрическая схема такого коммутатора приведена на фиг.2.
Устройство управления силовыми ключами полупроводникового коммутатора 6 силового преобразователя 4 реализовано в виде программного модуля, выполняемого 8-разрядным микроконтроллером в соответствии с алгоритмом управления, представленным на фиг.6.
Используемый в системе управления ВИД датчик положения ротора (фиг.8), дискретность которого составляет 90 электрических градусов, состоит из металлического диска 1, внешняя часть которого имеет прорези и двух оптических инфракрасных щелевых датчиков 2. Металлический диск закреплен на валу двигателя и вращается вместе с ним. В процессе вращения ротора на месте щели датчика попеременно оказываются сплошные части диска и прорези, что соответствует закрытому и открытому состоянию датчика, а с точки зрения системы управления - логическому нулю и логической единице. Ширина сплошных частей и прорезей равна угловому расстоянию между одинаковыми состояниями соседних фаз, например, рассогласованными состояниями. Данные состояния меняются в зависимости от положения ротора. Угловое расстояние между датчиками кратно угловому расстоянию между зубцами статора соседних фаз, которое равно 45 механическим градусам. Два оптических датчика, выходное напряжение каждого из которых имеет два логических уровня, представляют собой два разряда двоичного кода, которые, как известно, могут указывать на 4 различных состояния. Поскольку ИМ конфигурации 8/6 имеет 4 фазы, данного количества выходных состояний ДПР достаточно для организации процесса возбуждения 4-х фаз. Датчик положения ротора выбранного типа способен указывать системе управления только интервалы длительностью 90 электрических градусов.
Блок изменения фазы сигналов датчика 8 может быть реализован в виде отдельного программного модуля того же микроконтроллера, в процессе выполнения которого реальным показаниям ДПР 7 ставятся в соответствие показания, отстающие от реальных на четверть периода, и передаются в УУ 6.
Система управления ВИД работает следующим образом.
При включении источника питания 3 устройство управления 6 начинает формирование импульсов управления ключами полупроводникового коммутатора 5 силового преобразователя 4 на основе показаний датчика положения ротора 7, сдвинутых блоком изменения фазы сигналов датчика 8 на одну ступень (на 90 электрических датчиков) назад. При этом направление вращения ротора ИМ 2 будет соответствовать заданному. После того, как ротор двигателя сделает минимум 1 полный оборот, что способно зафиксировать устройство управления, оно начинает, не принимая во внимание сигналы блока изменения фазы сигналов датчика 8, использовать в своем алгоритме работы непосредственные сигналы ДПР 7, формируя управляющие сигналы таким образом, что возбуждение фаз двигателя в установившемся режиме работы начинается на 45-95 электрических градусов ранее момента наступления ее рассогласованного состояния, а отключение фазы - через 180 электрических градуса после начала ее возбуждения. И так продолжается вплоть до отключения источника питания 3.
В соответствии с особенностями используемого ДПР временная диаграмма импульсов управления ключами полупроводникового коммутатора выглядит так, как это показано на фиг.6.
На данной диаграмме Ud1 и Ud2 - сигналы, поступающие в устройство управления силовыми ключами полупроводникового коммутатора с первого и второго оптического щелевого датчика, Uvt1 - Uvt4 - сигналы, поступающие от УУ на транзисторы полупроводникового коммутатора. Очевидно, что изменение сигналов, приходящих с ДПР, приводит к включению или выключению одного из транзисторов ПК. Что означает начало или окончание процесса возбуждения той или иной фазы ВИД.
Источники, на которые в тексте описания приводятся ссылки:
1. Electronic control of switched reluctance machines / Edited by T.J.E. Miller. Newnes, 2001, 272p
2. Асташев М.Г. Панфилов Д.И. Буренков К.Э. Особенности построения преобразователей для вентильно-индукторных двигателей автомобильных систем. Электроника и электрооборудование транспорта. 2009. №5-6. С.14-18
3. Дианов А.Н. Разработка и исследование системы бездатчикового управления вентильным двигателем: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы:
Диссертация кандидата технических наук / А.Н.Дианов, Моск. энерг. ин-т (ТУ). - 2004. - 200 с.