Выбор способа управления напряжения на зажимах бесколлекторной машины постоянного тока (вентильного двигателя)

УДК 21.313

Канд. техн. наук М.А. БЕЛЯЕВ

ВЫБОР СПОСОБА УПРАВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА ЗАЖИМАХ БЕСКОЛЛЕКТОРНОЙ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Вентильный двигатель, математическая модель, пусковой режим, параметры ПИД - регулятора

Вентильный двигатель - это синхронная машина (СМ), питаемая от зависимого инвертора, управляемого датчиком положения ротора. Использование современных запираемых и управляемых элементов позволяет создавать двигатели мощностью до Рн = 300 -н 500 кВт, отличающиеся широким и плавным регулированием со, высоким к.п.д., большими пусковыми моментами и динамическими характеристиками, не худшими чем у коллекторных машин постоянного тока (МПТ). При этом контактные кольца могут быть исключены за счет магнитоэлектрического возбуждения. Магниты типа NdFeB обеспечивают Bs = 0,5 — 1,0 Тл, - это позволяет создавать ВД с хорошими удельными массогабаритными показателями.

На сегодняшний день существует два подхода для моделирования ВД и выбора закона регулирования напряжения на его зажимах:

1. С позиции коллекторных машин постоянного тока [ 1 ].

2. С использованием теории СМ. Наиболее часто используется в литературе, поскольку основой ВД является синхронный двигатель (СД), а теория СМ обеспечивается хорошо проработанным математическим аппаратом [2, 3,4].

Для моделирования СМ обычно используются уравнения Горева-Парка. Некоторые сложности вызывает определение роли коммутационных процессов и учет насыщения. В данной работе эти факторы не учитываются.

Без учета демпферных обмоток имеем следующую систему уравнений:

di/)'

-¿f = Ud + ü)ipq - idrd \pd= xfjd- xfjdc

^ = Uq-a)ipq- id rq  _-ф*

ld - --Iq - -

Ld 4 Lq s

где ipd0 — потокосцепление ротора (постоянная величина), Hj — момент инерции двигателя и рабочего механизма в o.e.

Для векторного управления часто выбирают два условия Ud = 0 или id = 0 . Условие id = 0 соответствует равенству Ud = —ü)ipq , которое используется для компенсации тока id. В этом случае ip'd = гр0 и достигается ортогональность векторов гр0 и ipq, что в свою очередь позволяет при данных массогабаритных показателях двигателя

(и прочих равных) иметь максимальный момент на его валу (как в МПТ когда щетки на геометрической нейтрали).

В случае если = 0, то векторная диаграмма ВД принимает вид, показанный на

рис.1.

Uq=-Eq+Iqfq

Ч

+jIqXq

i, U?

(lq) Ifjq '

-liq

U

Ud

Ф

Фо

Рис. 1 Векторная диаграмма ВД Для установившихся режимов Миш ВД определяются по формулам:

М = -ф0-

Мгп

Uq-lg rq _ Un

Ю~ -' ' ' = —----

о ^о о

Таким образом, изменяя мгновенное значение Uq (и поддерживая Uq = —(ú\pq), мы имеем возможность регулировать М и со по каналу напряжения, так же, как у МПТ. Канал регулирования по магнитному потоку возможен только при использовании электромагнитного возбуждения, но это усложняет конструкцию электрической машины. Заметим, что при выбранном способе управления, угол 0 не нужно поддерживать постоянным.

Таким образом, для исследования ВД используем систему уравнений (1) и модель системы управления, реализующую две основные функции:

Ud = -\pq со

Uq = Щ>ег(.Р)(ы,ад ~

Где Wpí,r,(p) -передаточная функция регулятора, работающего по отклонению скорости от заданного значения (шзад).

В качестве регулятора чаще всего используют ПИД регуляторы, значительно реже регуляторы с нечеткой логикой.

ПИД регуляторы встроены в преобразователи частоты и имеют следующую структуру:

CÍE

Uq = к„£ + ки f Edt + кд —

Или в виде передаточной функции

"ч =

5 5

В данной работе рассматриваются особенности пуска ВД, поскольку пусковой режим является одним из наиболее тяжелых режимов двигателя и пуск ВД с указанной выше системой управления имеет ряд особенностей:

1. ВД запускается не так, как синхронный двигатель.

2. Требования к пусковому режиму обычно определяется технологическим процессом (моментом сопротивления рабочего механизма и его моментом инерции, необходимым временем пуска и т.п.).

В любом случае наибольшее значение имеет следующее:

Я/Л

U/J ;

- кратность пускового момента

АЛ

- кратность пускового тока у;

- продолжительность пуска

- потери энергии при пуске.

Все эти показатели в нашем случае зависят от технологического процесса и от параметров двигателя и ПИД регулятора. Для иллюстрации вышесказанного рассмотрим

задачу без ограничений. Имеем следующую структурную схему по каналу (рис. 2,

канал Уд при точном равенстве = — С0\|/^ можно не рассматривать).

Рис 2. Структурная схема управления ВД по каналу Uq

С учетом, что 1фа = 1 и заданные параметры ВД Lq = 1, rq = 0,05 (в o.e.),

относительно задающего воздействия имеем упрощенную структурную схему (рис За; рис 36):

Рис.За. Упрощенная структурная схема управления скоростью ВД по каналу

Рис.36. Упрощенная структурная схема управления скоростью ВД по каналу II^ без учета АМс

Для выбора параметров регулятора можно использовать подход рассматриваемый в литературе [5]:

Выбираем из условия 52 + + = Н--5Н--

^ кд кд 20 Н]

кд 20 \К" 20) kd Hj \К" Н]}' Передаточная функция (ПФ) разомкнутой системы равна

= Wpc (5) =

ПФ замкнутой системы

£{S)

= Щ.с.( S)=7T7

Hj-s 1

tAS+1

Таким образом, при подаче единичного скачка й)за() = кш l(t) имеем следующий переходной процесс (1111) по скорости:

ш(0 = (e_t/r0 - 1) кш,

н н

где Т0 = и время ПП (£ш?) равно ЗТ0 = 3 — кд кд

Заметим, что время в модели измеряется в радианах (1 рад~1/314 сек). Ограничения на Uq, iq и Ud естественно значительно усложняют задачу. В принципе, при заданном Hj можно выбрать кД (соответственно кп и ки) выбрать таким образом, чтобы вышеперечисленные параметры не выходили за ограничения, но это значительно увеличит tim и ухудшит показатели 1111 при набросе нагрузки (АМс). Например, при следующих параметрах Hj = 100, кш = 0,7 ,кд = 2, (кп = 0,1, ки = 0,02 ), Мс = 0,2 имеем t)m = 150pad ~ 0,5 С. Ограничение U < 1 и условие компенсации U^ = —üüljjq выполняется, максимальное значение iq (в данном случае ток статора i = iq) составляет 1,3 в o.e. (аналогично по Mq- см рис.4).

Рис. 4. Переходной процесс ВД. Малые коэффициенты усиления. Момент сопротивления 0,2.

Уставка по скорости изменяется скачком

Однако при тех же параметрах и пуске на полную нагрузку Мс = 0,8 максимальное значение ¿^ (соответственно по I и М,7) равно 2, что может быть уже недопустимо для преобразователя частоты. Соответствующие переходные процессы показаны на рис 5.

Рис. 5. Переходной процесс ВД. Малые коэффициенты усиления. Момент сопротивления 0,8.

Уставка по скорости изменяется скачком

Поэтому более целесообразно ввести в систему задачик интенсивности изменения уставки созт) (что и делается на практике) и перейти к исследованию нелинейной системы управления, учитывающей ограничения по параметрам Uq, и ¿У^, а также возможное в этом случае не выполнение условия и^ = — соу^ (ограничение по , определяется

выполнением условия ^ + — и < 1

Итак, в общем случае предлагается следующая структурная схема (рис.6).

Рис. 6. Структурная схема управления скоростью ВД с учетом ограничений

На рис. 7 показаны графики пуска на полную нагрузку со скоростью изменения уставки шзад = 0,7/150. В данном случае ¿rf = 0,8. Коэффициенты регулятора кд = 100 (к„ — 5, ки — 1), соответственно постоянная времени самой замкнутой системы Та — 1

Заметим, что при одинаковом времени пуска (150 рад) в случае использования в мат. модели больших коэффициентов усиления и применения задатчика интенсивности пуска, токи iq и i, а также момент двигателя остается практически постоянным и не превышает величины 1,3. Компенсация тока практически выполняется (величина наибольшего броска тока id не превышает 0,1 и на качество переходного процесса значительного влияния не имеет). Тепловые потери снижаются на 10% по сравнению с режимом пуска с малыми коэффициентами регулятора и скачкообразным изменением уставки по скорости.

Рис. 7. Переходной процесс ВД. Большие значения коэффициентов усиления: Момент сопротивления 0,8. Темп нарастания уставки по скорости изменяется в соотношении 0,7/150

Таким образом, при фиксированных коэффициентах регулятора в зависимости от момента инерции //у и момента сопротивления Мс на валу двигателя можно подобрать скорость изменения уставки Ш Ш() обеспечивающую плавный пуск при заданных

ограничениях по напряжении U и току I (ограничение по I фактически определяется параметрами преобразователя частоты, поскольку для двигателя допустимы 5-7- кратные пусковые перегрузки по току. Однако, соответственно вырастут перегрузки по электромагнитному моменту и вероятность возникновения механических деформаций привода).

Например, при тех же параметрах k¿ = 100,/í;7, ки и Hj и Мс = 0,2 плавный пуск достигается при скорости изменения уставки 0,7/65 (í = iq = М = 1,3 dj время пуска). При тех же условиях и Hj = 200, условие плавного пуска — — = 0,7/150.

В заключение заметим, что использование приведенной выше математической модели позволяет выбрать целесообразное время пуска по условию минимизации тепловых потерь. Адекватность рассматриваемой математической модели подтверждена в работе [6].

Литература

1. Овчинников И.Е. Вентильные машины электрические двигатели и привод на их основе (малая и средняя мощность): Курс лекций - СПб.: «Корска-Век», 2006. - 336с.

2. Вейнгер A.M. Регулируемый синхронный электропривод. - М.: Энергоатомиздат, 1985 -224с ил.

3. Фираго Б.И., Павлячик Л.Б. Регулируемые электроприводы переменного тока. - М.: Техноперспектива, 2006. - 363с.

4. Терехов В.М., Осипов О.Н. Системы управления электроприводов: Учебник для студентов высших учебных заведений; Под ред. В.М. Терехова. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 305с.

5. Деруг Р.К., Бишоп Р.Х. Современные системы управления. - М.: Лаборатория базовых знаний, 2004.

6. Сидельников Б.В. Синхронная машина с магнитоэлектрическим возбуждением в программном комплексе MATLAB/SIMULINK // Проблемы создания и эксплуатации новых типов электроэнергетического оборудования /Российская академия наук. Отдел электроэнергетических проблем. - 2003. - №5. - С 152-162.

УДК 621.43

Канд. техн. наук В.Н. БОНДАРЬ

РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ МАСЛА НА ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ДИЗЕЛЯ ПЕРЕД ПУСКОМ

Дизель, пуск, система термостатирования масла, предпусковая подготовка, тепловое состояние, нейросеть

В зимний период надежность колесных и гусеничных машин в эксплуатации зависит от времени, которое необходимо затратить на его подготовку к пуску и движению. Для сокращения этого времени применяются средства предпусковой подготовки и облегчения пуска. Одним из эффективных методов обеспечения нормативных значений пусковых качеств является термостатирование