УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ СТАРТЕР-ГЕНЕРАТОРОМ
CONTROL DEVICE OF ASYNCHRONOUS STARTER-GENERATOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам с полупроводниковыми (вентильными) преобразователями электроэнергии, и может быть использовано в автономных объектах, в частности автомобилях, для генерирования электрической энергии и запуска приводного двигателя.
Известна электрическая система со стартер-генератором на базе асинхронной электрической машины переменного тока [RU 2173020 С2], которая содержит дополнительный преобразователь постоянного тока с управляющим входом, устройство управления этим преобразователем, конденсатор, подключенный к выводам постоянного тока вентильного преобразователя, датчик напряжения статора асинхронной машины, выход которого соединен с входом блока автоматического управления вентильным преобразователем, причем дополнительный преобразователь постоянного тока включен между выводами аккумуляторной батареи и выводами постоянного тока вентильного преобразователя, и управляемым ключом, который в стартерном режиме замкнут, и дополнительный преобразователь постоянного тока не работает, управляющий вход которого соединен с выводами постоянного тока вентильного преобразователя через пороговый элемент, причем устройство управления включает формирователь импульсов управления, имеющий вход регулирования ширины импульсов и вход синхронизации, датчик тока аккумулятора и задатчик тока аккумуляторов, элемент сравнения и регулятор тока, при этом выход датчика тока аккумуляторов подключен на инвертирующий вход элемента сравнения, а на его неинвертирующий вход подключен выход задатчика тока аккумуляторов, выход элемента сравнения через регулятор тока соединен с входом регулирования ширины импульсов формирователя импульсов управления, а вход синхронизации формирователя связан с выходом основной частоты блока автоматического управления вентильным преобразователем.
Недостатком аналога является то, что он имеет ограниченное быстродействие, поскольку неконкретизирован тип регулятора и постоянные времени стартер-генератора как электрической машины некомпенсированы. Это приводит к низким показателям в динамических режимах -перерегулировании, большим временем переходных процессов.
В качестве прототипа выбрано устройство управления автомобильным асинхронным стартер-генератором с аккумуляторной батареей в цепи постоянного тока [RU 2104612 С1], которое содержит датчик тока аккумуляторов, датчик напряжения, функциональный преобразователь, выполненный с возможностью уменьшения или увеличения выходного напряжения при уменьшении или увеличении его входного напряжения и последующего ограничения выходного напряжения, вентильный преобразователь регулируемой частоты с системой управления и двумя входами регулирования частоты, выводы переменного тока соединены с выводами обмотки статора асинхронной машины стартер-генератора, а выводы постоянного тока с одноименными выводами аккумуляторной батареи. Первый блок управления с регулятором частоты, выход которого соединен с первым входом регулирования частоты вентильного преобразователя, а выход с выходом элемента сравнения блока. Второй блок управления содержит регулятор коэффициента передачи, вход которого соединен с выходом элемента сравнения блока, на входы которого подключены выходы задатчика фазного напряжения и датчика напряжения. Третий блок управления содержит регулятор, выход которого соединен с вторым входом регулирования частоты вентильного преобразователя, а вход с выходом основного элемента сравнения блока. Указанное устройство обеспечивает получение значительных пусковых моментов при хороших энергетических показателях. Это устройство наиболее близко к предлагаемому решению и содержит вентильный преобразователь регулируемой частоты, выполненный с входом регулирования коэффициента передачи, к которому подключен выход регулятора второго блока управления, вход датчика напряжения соединен с выводами постоянного тока вентильного преобразователя, первый и второй входы регулирования частоты вентильного преобразователя соединены между собой двумя включенными встречно диодными элементами, общая точка которых соединена с входом системы управления вентильного преобразователя, первый блок управления снабжен задатчиком пусковой частоты, а регулятор блока содержит RS-триггер и управляемый переключатель с управляющим, размыкающим и замыкающим входами, выход которого связан с выходом регулятора частоты, а размыкающий вход с выходом задатчика пусковой частоты, соединенным также с одним входом элемента сравнения блока управления, причем замыкающий вход управляемого переключателя соединен с другим входом элемента сравнения и выходом функционального преобразователя, вход которого соединен с выходом датчика напряжения, а управляющий вход переключателя соединен с выходом RS-триггера, управляющий вход которого соединен с входом регулятора частоты блока управления, а второй вход с элементом установки исходного состояния триггера, во втором блоке управления вход задатчика фазного напряжения соединен с общей точкой диодных элементов. Третий блок управления выполнен в виде регулятора тока заряда аккумуляторов, блок управления снабжен задатчиком и регулятором напряжения цепи постоянного тока стартер-генератора, а также дополнительным элементом сравнения, входы которого соединены с выходами задатчика напряжения и датчика напряжения, причем входы основного элемента сравнения третьего блока управления соединены с датчиком тока аккумуляторов и выходом регулятора напряжения.
К недостаткам прототипа относится то, что он имеет ограниченное быстродействие, поскольку неконкретизирован тип регулятора и постоянные времени стартер-генератора как электрической машины некомпенсированы. Это приводит к низким показателям в динамических режимах-перерегулировании, большим временем переходных процессов.
Технический результат заключается в расширении диапазона рабочих частот вращения в генераторном режиме и достигается за счет повышения быстродействия управления при одновременном повышении ресурса безотказной работы с унифицированным перерегулированием переходного процесса из двигательного в генераторный режим.
Задачей изобретения является разработка структурного регулятора, который будет меняться от математического описания, параметров системы и режима работы (стартерный режим или генераторный режим). Он может быть пропорционально-интегральным (ПИ) и пропорционально-интегрально-дифференциальным (ПИД) регулятором.
Технический результат решается благодаря тому, что в устройстве управления асинхронным стартер-генератором, содержащем аккумуляторную батарею в цепи постоянного тока, датчик тока аккумуляторов, датчик напряжения, функциональный преобразователь, выполненный с возможностью уменьшения или увеличения выходного напряжения при уменьшении или увеличении его входного напряжения и последующего ограничения выходного напряжения, вентильный преобразователь регулируемой частоты с системой управления и двумя входами вентильного преобразователя регулируемой частоты, выводы переменного тока которого соединены с выводами обмотки статора асинхронной машины стартер-генератора, а выводы постоянного тока - с одноименными выводами аккумуляторной батареи, первый блок управления с регулятором частоты, выход которого соединен с первым входом вентильного преобразователя регулируемой частоты, а выход - с выходом элемента сравнения блока, второй блок управления с регулятором коэффициента передачи, вход которого соединен с выходом элемента сравнения блока, на входы которого подключены выходы задатчика фазного напряжения и датчика напряжения, и третий блок управления с регулятором, выход которого соединен со вторым входом вентильного преобразователя регулируемой частоты, а вход - с выходом основного элемента сравнения блока, вентильный преобразователь регулируемой частоты выполнен с входом регулирования коэффициента передачи, к которому подключен выход регулятора второго блока управления, вход датчика напряжения соединен с выводами постоянного тока вентильного преобразователя регулируемой частоты, первый и второй входы вентильного преобразователя регулируемой частоты соединены между собой двумя включенными встречно диодными элементами, общая точка которых соединена с входом системы управления вентильного преобразователя, первый блок управления снабжен задатчиком пусковой частоты, а регулятор блока содержит RS-триггер и управляемый переключатель с управляющим, размыкающим и замыкающим входами, выход которого связан с выходом регулятора частоты, а размыкающий вход с выходом задатчика пусковой частоты, соединенным также с одним входом элемента сравнения блока управления, причем замыкающий вход управляемого переключателя соединен с другим входом элемента сравнения и выходом функционального преобразователя, вход которого соединен с выходом датчика напряжения, а управляющий вход переключателя соединен с выходом RS-триггера, управляющий вход которого соединен с входом регулятора частоты блока управления, а второй вход - с элементом установки исходного состояния триггера, во втором блоке управления вход задатчика фазного напряжения соединен с общей точкой диодных элементов, третий блок управления снабжен задатчиком напряжения и устройством сравнения, а также дополнительным элементом сравнения, входы которого соединены с выходами задатчика напряжения и датчика напряжения, причем входы основного элемента сравнения третьего блока управления соединены с датчиком тока аккумуляторов и выходом регулятора напряжения, предусмотрены следующие отличия: третий блок управления выполнен в виде регулятора тока заряда аккумуляторов пропорционально-интегрально-дифференциального типа на операционном усилителе, к выходу и общей точке которого подключены последовательно соединенные сопротивление и емкость, точка соединения которых через последовательное соединение сопротивления и емкости подключена ко входу операционного усилителя, причем регулятор тока заряда аккумуляторов настраивают на компенсацию электромагнитной и механической постоянных времени стартер-генератора при работе в генераторном режиме, регулятор напряжения цепи постоянного тока в виде операционного усилителя пропорционально-интегрального типа, в обратную связь которого последовательно включены сопротивление и емкость, причем регулятор напряжения цепи постоянного тока настраивают на компенсацию эквивалентной механической постоянной времени стартер-генератора при работе в стартерном режиме.
Изобретение позволяет сделать третий блок управления с задатчиком напряжения и устройством сравнения, а также дополнительным элементом сравнения, входы элемента сравнения соединены с выходами задатчика напряжения и датчика напряжения, причем входы основного элемента сравнения третьего блока управления соединены с датчиком тока аккумуляторов и выходом регулятора напряжения.
Техническая сущность предлагаемого изобретения поясняется на фиг.1. Предлагаемое устройство управления асинхронным стартер-генератором состоит из:
1 - асинхронная машина; 2 - приводной двигатель; 3 - вентильный преобразователь регулируемой частоты; 4 - система управления; 5 - первый вход вентильного преобразователя регулируемой частоты; 6 - второй вход вентильного преобразователя регулируемой частоты; 7, 8 - встречно включенные диоды; 9, 10 - выводы постоянного тока вентильного преобразователя (шина постоянного тока); 11 - аккумуляторная батарея; 12 - датчик тока аккумуляторов; 13 - датчик напряжения; 14 - бортовая сеть автомобиля; 15 - первый блок управления; 16 - функциональный преобразователь; 17 - элемент сравнения первого блока; 18 - задатчик пусковой частоты; 19 - вход регулятора частоты; 20 - регулятор частоты; 21 - управляемый переключатель; 22 - RS-триггер; 23 - диод; 24 - элемент установки исходного состояния RS-триггера; 25 - замыкающий контакт реле; 26 - размыкающий контакт реле; 27 - замыкающий вход; 28 - размыкающий вход; 29 - элемент сравнения второго блока; 30 - задатчик фазного напряжения; 31 - регулятор коэффициента передачи; 32 - второй блок управления; 33 - третий блок управления; 34 - регулятор тока заряда аккумуляторов; 35 - регулятор напряжения цепи постоянного тока; 36 - задатчик напряжения цепи постоянного тока; 37 - основное устройство сравнения; 38 - дополнительный элемент сравнения.
Перечисленные выше конструктивные элементы выполнены следующим образом: устройство управления асинхронным стартер-генератором с аккумуляторной батареей 11 в цепи постоянного тока содержит датчик тока аккумуляторов 12, датчик напряжения 13, функциональный преобразователь 16, выполненный с возможностью уменьшения или увеличения выходного напряжения при уменьшении или увеличении его входного напряжения и последующего ограничения выходного напряжения, вентильный преобразователь регулируемой частоты 3 с системой управления 4 и двумя входами вентильного преобразователя регулируемой частоты 5 и 6, выводы переменного тока которого соединены с выводами обмотки статора асинхронной машины стартер-генератора, а выводы постоянного тока - с одноименными выводами аккумуляторной батареи 11. Первый блок управления 15 содержит регулятор частоты 20, выход которого соединен с первым входом вентильного преобразователя регулируемой частоты 5 вентильного преобразователя регулируемой частоты 3, а выход - с выходом элемента сравнения первого блока 17. Второй блок управления 32 содержит регулятор коэффициента передачи 31, вход которого соединен с выходом элемента сравнения второго блока 29. На входы элемента сравнения второго блока 29 подключены выходы задатчика фазного напряжения 30 и датчика напряжения 13. Третий блок управления содержит регулятор тока заряда аккумуляторов 34, выход которого соединен со вторым входом вентильного преобразователя регулируемой частоты 6, а вход с выходом основного устройства сравнения третьего блока 37. Вентильный преобразователь регулируемой частоты 3 выполнен с входом регулирования коэффициента передачи, к которому подключен выход регулятора коэффициента передачи второго блока управления 31. Вход датчика напряжения 13 соединен с выводами постоянного тока вентильного преобразователя 9 и 10, первый и второй входы вентильного преобразователя регулируемой частоты 5,6 которого соединены между собой двумя включенными встречно диодными элементами 7 и 8, общая точка которых соединена с входом системы управления 4 вентильного преобразователя регулируемой частоты 3. Первый блок управления 15 снабжен задатчиком пусковой частоты 18, а регулятор частоты первого блока 20 содержит RS-триггер 22 и управляемый переключатель 21 с управляющим, размыкающим и замыкающим входами. Выход управляемого переключателя 21 связан с выходом регулятора частоты 20, а размыкающий вход 28 - с выходом задатчика пусковой частоты 18, соединенным также с одним входом элемента сравнения 17 первого блока управления. Причем замыкающий вход управляемого переключателя 27 соединен с другим входом элемента сравнения 17 и выходом функционального преобразователя 16. Вход функционального преобразователя 16 соединен с выходом датчика напряжения 13, а управляющий вход переключателя 21 соединен с выходом RS-триггера 22. Управляющий вход RS-триггера 22 соединен с входом регулятора частоты 20 первого блока управления 15, а второй вход - с элементом установки исходного состояния RS-триггера 24. Во втором блоке управления 32 вход задатчика фазного напряжения 30 соединен с общей точкой диодных элементов 7 и 8. Третий блок управления 33 снабжен задатчиком напряжения цепи постоянного тока 36 и основным устройством сравнения 37, а также дополнительным элементом сравнения 38, входы которого соединены с выходами задатчика напряжения цепи постоянного тока 36 и датчика напряжения 13, причем входы основного элемента сравнения 37 третьего блока управления соединены с датчиком тока аккумуляторов 12 и выходом регулятора напряжения цепи постоянного тока 35.
Поясним синтез регуляторов электрической системы асинхронного стартер-генератором. Представим функциональную схему регулирования на фиг.2, на которой обозначены: задатчик 39, фильтр 40, регулятор 41, динамические звенья стартера 42 и 43, обратную связь на основе операционного усилителя 44, элемент сравнения 45.
вых
Настраивая контур на оптимум по модулю (ОМ) определим тип необходимого регулятора 41. Настройка на ОМ даст перерегулирование Х
величиной 4,3% при запасе по фазе 64°. Для реализации показателей желаемая передаточная функция разомкнутого контура должна быть:
Будем считать, что фильтр 40 является апериодическим звеном с параметрами:
При представлении объекта регулирования (ОР), которым является стартер-генератор, двумя апериодическими звеньями имеем передаточную функцию:
1
2
Из соотношения видно, что для компенсации двух постоянных времени Т и Т, которые являются электромагнитной и механической постоянными времени стартер-генератора при работе в генераторном режиме и определяются параметрами стартер-генератора, необходим ПИД регулятор, схема которого представлена на фиг.3
Аналогично представим функциональную схему регулирования с одним динамическим звеном для компенсации одной постоянной времени. Представим функциональную схему регулирования на фиг.4, на котором обозначены: задатчик 46, фильтр 47, регулятор 48, динамическое звено стартера 49, обратную связь на основе операционного усилителя 50, элемент сравнения 51.
вых
Настраивая контур на оптимум по модулю (ОМ) определим тип необходимого регулятора 48. Настройка на ОМ даст перерегулирование X величиной 4,3% при запасе по фазе 64°. Для реализации этих показателей желаемая передаточная функция разомкнутого контура должна быть:
Будем считать, что фильтр 47 является апериодическим звеном с параметрами:
При представлении объекта регулирования (ОР), которым является стартер-генератор при работе в стартерном режиме, апериодическим звеном имеем передаточную функцию стартер-генератора:
раз
и передаточную функцию W разомкнутого контура
Отсюда определяется передаточная функция необходимого регулятора:
1
Из соотношения видно, что для компенсации постоянной времени Т, которая определяется параметрами стартер-генератора, необходим ПИ-регулятор, схема которого представлена на фиг.5
Предлагаемые регуляторы реализуются на операционных усилителях КР140УД12.
Повышение быстродействия управления объясняется следующим образом. На фиг.6 показано, как пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор на скачок управляющего воздействия откликается мощным начальным пиком (дифференциальная составляющая) с последующим экспонециальным изменением выходного напряжения - пропорционально-интегрального изменения. На фиг.7 видно, что пропорционально-интегральный регулятор на скачок напряжения (пропорциональное воздействие) реагирует не форсированно, а медленно прямолинейно нарастает до напряжения насыщения (интегральная составляющая).
В целом пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор и пропорционально-интегральный регулятор предназначены для повышения быстродействия управления при одновременном повышении ресурса безотказной работы с унифицированным перерегулированием переходного процесса из двигательного в генераторный режим.