Оценка влияния управляющих воздействий на механические характеристики вентильно-индукторного электропривода

В результате исследований установлено, что эффективными, с точки зрения снижения уровня пульсаций момента на низких скоростях, являются алгоритмы управления, осуществляющие одновременное воздействие на углы коммутации, напряжение питания и уровень токоограничения в зависимости от текущей скорости двигателя.

Ключевые слова: вентильно-индукторный электропривод, углы коммутации, механические характеристики, уставки токоограничения, моделирование.

O.Y. Karpovich1, A.A. Marchenko2, O.A. Onischenko3 (1Odessa National Academy of Food Technologies, Odessa, 65028; ^Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003; 3Odessa National Maritime Academy, Odessa, 65029). Control actions-impact evaluation on mechanical characteristics of valve-inductor electric drive

Impact analysis of phase making angle, voltage and current limit settings on the mechanical characteristics-behavior, current waveform and moment pulsation level of valve-inductor motor was carried out on the basis of the authors' valve-inductor electric drive model. As a result of research we proved control algorithms simultaneously affecting commutating angles, supply voltage and current limit level depending on the motor's current speed are effective in terms of reducing moment pulsation level at low speeds.

Key words: valve-inductor electric drive, commutating angles, mechanical characteristics, current limit setting, simulation.

Вентильно-индукторный электропривод (ВИП) - современный, теоретически не полностью исследованный электропривод [1-3]. Он начинает применяться во многих типах промышленных и бытовых механизмов, а также в судовых электроэнергетических системах и установках. ВИП отличается от других типов электроприводов наличием нескольких дополнительных управляющих воздействий, определяющих его основные статические, динамические и энергетические свойства [1, 2]. К этим воздействиям относятся:

а) углы коммутации фаз, определяющие моменты времени переключения напряжения от одной фазы двигателя к другой (включения и отключения фазы);

б) уставки уровня ограничения тока фаз;

в) уровни постоянного напряжения, подводимого к фазам.

Как отмечено в [3], гибкое, меняющееся в зависимости от условий работы ВИП формирование углов коммутации фаз позволяет создавать более совершенные, отличающиеся от известных алгоритмы управления электроприводом. Такие алгоритмы, реализуемые с помощью микропроцессорной техники, существенно улучшают механические и энергетические характеристики ВИП, а выбор рационального соотношения между указанными выше воздействиями позволяет оптимизировать комплекс характеристик ВИП при его работе под нагрузкой [4].

Целью данной статьи является оценка влияния различных управляющих воздействий на механические характеристики ВИП, а также анализ возможных алгоритмов управления, осуществляющих одновременное воздействие на углы коммутации фаз, напряжения и уровни токоогра-ничения в зависимости от текущей скорости вентильно-индукторного двигателя (ВИД).

Проводим такую оценку с помощью разработанной в [5] имитационной модели ВИП. В этой системе управления нет отрицательной обратной связи по скорости и применен одиночный симметричный режим коммутации ключей инвертора (частота 3,3 кГц при номинальном напряжении источника питания 280 В). Кроме того, с целью ускорения расчетов использован контур тока на основе «гибридной быстрой» модели [6] с коэффициентом обратной связи по току 0,45 В/А.

Исследование влияния на механические характеристики (МХ), форму тока и момента ВИД проведено для:

- опережающего на 2° угла включения фаз (QOM(0n) = 6°) относительно базового угла включения (Q0n{6) = 8°);

- отстающего на 2° угла включения (0ON(Otc) = 10°) относительно базового угла включения (Qon(6) = 8°);

- изменения уставки токоограничения для базового, отстающего и опережающего углов включения фаз;

- уменьшения напряжения источника питания для базового угла включения фаз.

Угол отключения фаз во всех случаях принят неизменным - боРР = 23°, а начальный (базовый) угол включения равен 8°. Зависимость изменения индуктивности для одной из фаз двигателя в функции углового положения ротора приведена на рис. 1.

Рис. 1. Изменение индуктивности, тока и формирование углов включения/отключения для одной фазы

Как показано на рис. 1, ширина импульса для базового угла управления, коммутирующего ключи инвертора, равна Тк = 23°-8° = 15°, что соответствует ширине зубцов ротора исследуемого ВИД.

Из анализа графиков, иллюстрирующих формирование импульсов управления (базовый угол, период включения фазы Тв) для всех четырех фаз (рис. 2) двигателя, следует, что исходным при моделировании необходимо принять близкое к рассогласованному состоянию положение ротора ВИД.

Фаза А

для ВИД конфигурации 8/6

Механические и регулировочные характеристики ВИД при базовых углах включения боад = 8° и отключения бо^ = 23° фазы, уровне токоограничения 6,67 А приведены на рис. 3 и 4 соответственно. Из приведенных на рис. 4 регулировочных характеристик следует, что поскольку зависимости ю = / (и) практически линейны, то для стабилизации частоты вращения при изменениях статического момента необходимо изменять напряжение источника и пропорционально нагрузке. Например, в тех случаях, когда в процессе эксплуатации у источника питания снижается напряжение, это позволит сформировать соответствующие корректирующие воздействия.

оо, рад/с

Рис. 3. Механические характеристики ВИД при различных напряжениях источника питания иЛ: 1 - 280 В

со, рад/с -|—.—.—,—,——,—.—.—,——,—,—.—.——.—.—.—.——,—.—,—.——,—.—.—.—

400

300

200

100

0 -|-i-i-t-—i—i—i—i-—i-i-i-i--i-i—i—i-—i—i-i-1—I-i-i-i-i—

0 50 100 150 200 250 ud,B

Рис. 4. Регулировочные характеристики a = f (UJ при базовых углах включения QON = 8°

и отключения QOFF = 23 °фаз, токоограничении на уровне 6,67 А и фиксированных моментах сопротивления: 1 - Мс = 0,5 Н м; 2 - Мс = 1 Нм; 3- Мс = 2,2 Нм; 4 - Мс = 3 Нм; 5 - Мс = 3,5 Н м; 6 - Мс = 4,5 Н м

Таким образом, для регулирования скорости ВИД с обеспечением постоянства момента можно воспользоваться пропорциональным законом управления Ud / a « const, соответствующим зависимости М.П. Костенко для управления асинхронными электродвигателями.

Графики изменения токов в фазах двигателя при различных углах управления и статических нагрузках представлены на рис. 5.

Графики изменения результирующего момента ВИД при нагрузках 1 Н-м, 4 Н-м, 6,3 Н-м, 5,5 Н-м и различных углах управления фазами приведены на рис. 6.

Анализ полученных результатов, в частности, показывает, что при опережающем угле включения (0ON(On)) участки токоограничения начинаются при меньших значениях момента. Это связано с тем, что токоограничение начинает свое действие с участка, когда dL/dQ = 0 (см. рис. 1) и момент практически не развивается [1], поскольку

M = 0,5 • 12 •

Как видно из рис. 5, а, при малых значениях статической нагрузки (на высоких скоростях) токоограничение отсутствует при любых углах коммутации, а из рис. 5, б (при базовом и отстающем углах) и рис. 5, в следует, что с момента нагрузки МС = 4 Н-м токоограничение начинает свое действие, тогда как при опережающем угле (рис. 5, б) ограничения тока еще нет.

при опережающих углах включения 0(Ж = 6° и отключения 9да/, = 23° фаз ВИД

о

0.05 0.051 0.052 0.053 0.054 0.055 0.056 0.057 0.058 0.059 т, С 0.05 0.051 0.052 0.053 0.054 0.055 0.05« 0.057 0.058 0.059 т, С 0.05 0.055 0.06 0.

при отстающих углах включения 9Ш = 10° и отключения Q0fl, = 23° фаз ВИД

A Uset^ 3 В, Мс= 1U-M, On =10°, Off =23" Г А !/жг=ЭБ,Мс= 4 Нм, On = 10°, <Ж= 23°

0.05 0.051 0.052 0.053 0.054 0.055 0.056 0.057 0.058 0.059 т, С 0.05 0.051 0.052 0.053 0.054 0.055 0.056 0.057 0.05S 0.059 т, С 0.05

при базовых углах включения 0ftv = 8° и отключения QOFF =

J,A UsET=3B,Mc=4H-M,On = S°,Of=23°

0.055 0.06 0.065 0.07 0.0 7S Т, С

23° фаз ВИД

0.05 0.051 0.052 0.053 0.054 0.055 0.056 0.057 0.058 0.059 Т; с 0.05 0.051 0.052 0.053 0.054 0.055 0.056 0.057 0.058 0.059 т, С 0.05 0.055

а £

Рис. 5. Графики токов в фазах ВИД при различных угпах управления фазами: опережающем 9оща,) = б"; базовом 9ОЛГ(6) = 8 отстающем вощотс) = М °11 статических нагрузках: а —Мс = 1 Н-м; 6 — Мс = 4 Н-м ; в—Мс = 6,3 Н-м и Мс = 5,5 Н-м

0.06 0.065 0.07 0.075 х, С

в

ю о

0.05 0.051 0.052 0.053 0.054 0.055 0.056 0.057 0.05 8 0.059 х, с 0.05 0.051 0.052 0.053 0.054 0.055 0.056 0.057 0.058 0.059 х,с 0.05 0.055 0.06 0.065 0.07 0.075 0.08 0.085 0.09 0.095 х, с

при базовых углах включения 0ОД = 8° и отключения 0ОИ. = 23° фаз ВИД

М, Н-м иш= з В, Ыс= 1 Н-м, <оус„ = 343 рад/с, Оп = 8°, 0£Г= 23°

М Н-м 3 В, Мс~ 4 Н-м, (булл — 167 рад/с, Оп — 8°,, О^— 23° м Н-м Чиг-З В, Мс- 6,3 Н-м, ЮуШ =46 рад/с, Си - 8°, 23°

0.05 0.051 0.052 0.053 0.054 0.055 0.056 0.057 0.05 8 0.059 с. с 0.05 0.051 0.052 0.053 0.054 0.055 0.056 0.057 0.05В 0.059 т, с 0.05 0.055 0.06 0.065 0.07 0.075 0.08 0.0Е5 0.09 0.095 т, С

при отстающих углах включения 0Ш = 10° и отключения 0№/,= 23° фаз ВИД

М, Н-м иш- = ЗВ,МС= 1 Н-м, (Пуста = 257 рад/с, Оп = 10°, 0£= 23°

ОМ'

М, Н-ы - з в, Мс= 5,5 Н-м, (Оуст - 45 рад/с, Оп - 10°, 01] = 23°

О-05 0.051 0.052 0.053 0.054 0.055 0.056 0.057 0.05 8 0.059 х, с 0.05 0.051 0.052 0.053 0.054 0.055 0.056 0.057 0.058 0.059 т,с 0.05 0.055 0.06 0.065 0.07 0.075 0.08 0.085 0.09 0.095 т, с

а б в

Рис. 6. Графики изменения результирующего момента ВИД при различных угпах управления фазами: опережающем 9ощОП) = 6"; базовом 9ОЛГ(6) = 8 отстающем вощотс) = Ю °и статических нагрузках: а —Мс = 1 Н-м; 6 — Мс = 4 Н-м ; в—Мс = 6,3 Н-м и Мс = 5,5 Н-м

при опережающих углах включения 0ОЛ. = 6° и отключения 0(Л/ = 23° фаз ВИД

Л-Г.Н-м ЦщМ-- 4 н-м. = 215 рад/С. Оп - 6°, Р1У= 23° м,Н-м Чпт = 3 В,Мс= 6,3 Н-м, ,пя = 124 рад/е, Оп = б°, С#Г= 23"

и

ы

£ П)

Это связано с тем, что при таком угле включения МХ находятся выше остальных. При отстающем угле включения МХ опускаются вниз, что определяет невозможность работы ВИД при больших статических нагрузках (более 5,5 Нм). Отмеченные эффекты объясняются с помощью рассмотрения участков изменения тока относительно индуктивности фазы (см. рис. 1). Например, при отключении фазы при угле 0орр на участке 0Орр ... 02 создается движущий момент, поскольку индуктивность фазы продолжает увеличиваться и при низких скоростях протяженность участка 9о^ ... 02 уменьшается, приводя к снижению результирующего момента; на участке 02 . 03 момент нулевой, поскольку индуктивность фазы не изменяется; на участке 03 . 04 фаза двигателя создает тормозной момент, так как приращение индуктивности фазы отрицательное.

Амплитуды пульсаций результирующего момента ВИД при различных статических нагрузках и углах управления фазами рассчитаны по выражению:

Ш = ММАХ ~Ммм >100%.

Мс

Результаты расчетов приведены в таблице. Анализ ее данных показывает, что наименьшая амплитуда пульсаций электромагнитного момента достигается в диапазоне высоких и средних скоростей при опережающем угле включения, а наибольшая - при отстающем. На низких скоростях (при больших статических нагрузках) амплитуда пульсаций становится меньше уже при базовом, а не при опережающем угле включения.

Пульсации результирующего момента ВИД

MC, Н-м бом ° Ud, В Юует, рад/с MMAX, Н-м Mmin, Н-м ДМ, %

1 6 280 430 1,388 0,725 66,3

220 343 1,373 0,748 62,5

1 8 280 343 1,361 0,573 78,8

1 10 280 257 1,648 0,307 134,1

4 6 280 215 5,362 2,977 59,6

221 167 5,210 2,950 56,5

4 8 280 167 5,138 2,514 65,6

4 10 280 119 5,678 1,500 104,5

6,3 6 280 124 8,500 5,155 53,0

115 46 8,329 5,441 45,8

6,3 8 280 46 8,320 5,760 40,6

5,5 10 280 45 6,300 1,660 84,4

Очевидно, что в диапазоне высоких и средних скоростей для получения наименьшего значения амплитуды пульсаций результирующего момента ВИД необходимо работать с опережающим углом включения, снижая при этом напряжение источника Ud до значения, соответствующего той скорости, которая была бы при базовом угле включения.

Анализируя результаты влияния углов включения фаз, напряжения и уставок токоограниче-ния на характер изменения механических характеристик и форму тока, можно утверждать, что эффективными, с целью снижения уровня пульсаций момента на низких скоростях (см. рис. 6), являются алгоритмы управления, осуществляющие одновременное воздействие на углы коммутации, напряжение Ud и уровень токоограничения в зависимости от текущей скорости ВИД. Дополнительной, здесь не рассмотренной, возможностью управления ВИП является изменение углов отключения фазы привода. Таким образом, установлены дополнительные возможности оптимизации алгоритмов управления ВИП при сохранении максимального момента ВИД.

Литература

1. Krishnan R. Switched reluctance motor drives. - CRC Press, 2001 - 398 p.

2. Miller T.J.E. Switched reluctance motors and their control. - Oxford: Magna Physics Publishing and Clarendon Press, 1993. - 205 p.

3. Влияние параметров коммутации на характеристики вентильно-реактивного электропривода / И.Н. Радимов, В.В. Рымша, З.П. Процына, М.В. Гулый // Электромашиностроение и электрооборудование. - 2006. - Вып. 67. - С. 82-87.

4. Determination of optimum switching angles for speed control of switched reluctance motor drive system / Hamid Ehsan Akhter et al. // Indian Journal of Engineering and Materials Sciences, 2004. -Vol. 11(3). - P.151-168.

5. Карпович О.Я, Онищенко О.А. Компьютерное исследование динамических свойств вен-тильно-индукторного двигателя // Электротехника и электромеханика. - 2003. - № 4. - С. 42-45.

6. Карпович О.Я., Онищенко О.А. Разработка моделей с упрощенными контурами тока для вентильно-индукторного микроэлектропривода // Вестник НТУ «ХПИ». Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. - 2004. - № 43. - С. 91-94.

УДК 519.7+550.3

О.В. Мандрикова 12, Ю.А. Полозов 12, Н.В. Фетисова (Глушкова) 12

'Камчатский государственный технический университет, г. Петропавловск-Камчатский, 683003;

2Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН, с. Паратунка, Камчатский край, 684034 e-mail: oksanam'@mail. ru

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ВРЕМЕННЫХ РЯДОВ СЛОЖНОЙ СТРУКТУРЫ

Предложены алгоритмы идентификации моделей временных рядов сложной структуры, основанные на совмещении вейвлетов с классом моделей авторегресии - проинтегрированного скользящего среднего и нейронными сетями. Алгоритмы позволяют детально изучить структуру ряда и выделить характерные компоненты. В процессе моделирования и оценки ошибок алгоритмы позволяют выявить аномалии, обусловленные изменением структуры временного ряда.

Применение предложенных средств для моделирования временных рядов критической частоты ионосферы показало их эффективность и позволило выявить аномалии в периоды ионосферных возмущений. Построены аппроксимации временного хода параметров ионосферы для районов Камчатки и Магадана (регистрацию данных выполняет ИКИР ДВО РАН). Сопоставление выявленных аномалий с геомагнитными данными и каталогом землетрясений п-ова Камчатка позволяет сделать предположение, что аномальные изменения в ионосфере в анализируемых районах могут быть обусловлены повышенной солнечной активностью, а также могут наблюдаться в периоды повышенной сейсмической активности на Камчатке.

Ключевые слова: вейвлет-преобразование, модель авторегрессии - проинтегрированного скользящего среднего, нейронная сеть, критическая частота ионосферы, аномалии.

10 10 10 1

O.V. Mandrikova , , N.V. Glushkova , , Yu.A. Polozov , ( Kamchatka State Technical University, Petropav-

lovsk-Kamchatsky, 683003; 2Institute of Cosmophysical Researches and Radio Wave Propagation, Paratunka, Kamchatka, 684034). Modeling and analysis of complex time series

In the paper we suggest algorithms for identification of complex time series models based on combining wavelets with a class of autoregressive-integrated moving average models, and neural networks. The algorithms allow us to study in detail the structure of time series and to extract characteristic components. During the course of modeling and error estimates the algorithms allow us to detect anomalies caused by changes in the structure of time series.

The application of the proposed techniques for modeling of the ionospheric critical frequency time series has shown their effectiveness and made it possible to detect anomalies during the periods of ionospheric disturbances. Approximations of the ionospheric parameter time variation were obtained for the regions located in Kamchatka and Magadan (data were registered by the Institute of Cosmophysical Research and Radio Wave Propagation of the Far-Eastern Branch of Russian Academy of Science (IKIR FEB RAS)). The comparison of detected anomalies with geomagnetic data and the seismic catalogue data for Kamchatka Peninsula has made it possible to suggest that anomaly changes in the ionosphere in the monitored regions may be due to increased solar activity and may also occur during the periods of increased seismic activity in Kamchatka.

Key words: wavelet transform, an autoregressive-integrated moving average model, a neural network, the ionospheric critical frequency, anomalies.