Оптимизация способов управления вентильно-индукторным двигателем на электрическом транспорте в тормозном режиме тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Амелькин, Андрей Викторович

• Амелькин, Андрей Викторович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Амелькин, Андрей Викторович

Введение.

Глава 1. Основные свойства вентильно-индукторного двигателя.

1.1 Структурная схема вентильно-инду кторного двигателя.

1.2 Принцип действия ВИД.^

1.3 Основные геометрические параметры и соотношения вентильно -индукторной машины.

1.4 Электромеханическое преобразование энергии в вентильно-индукторном двигателе.

1.4.1 Формула баланса энергий и мощностей в ВИД.

1.4.2 Графическая интерпретация энергии и коэнергии

1.4.3 Энергетическая диаграмма интегрального типа.

1.5 Достоинства и недостатки вентильно-индукторного двигателя.

1.5.1 Достоинства ВИД.

1.5.2 Недостатки ВИД.

Глава 2. Построение математической модели вентильно-индукторного двигателя.

2.1 Описание объекта моделирования.

2.1.1 Описание и схема преобразователя.

2.1.2 Анализ электромагнитных процессов в несимметричном мосте.

2.1.3 Способы коммутации фаз.

2.1.4 Система управления ключами инвертора.

2.2. Вентильно-индукторный двигатель.

2.3. Датчик положения ротора.

2.4 Описание модели В ИМ.

2.4.1 Блок «commutator».

2.4.2 Блок «inverter».

2.4.3.Блок «3 phases motor».

2.4.4. Блок модели звена постоянного тока.

Глава 3. Испытания промышленного образца вентильно-индукторного электропривода и проверка адекватности модели.

3.1 Конструкция стенда для испытаний опытного образца ВИЛ.

3.2 Определение омического сопротивления фаз индукторного двигателя.-jg

3.3 Определение статических моментных характеристик индукторного двигателя.gO

3.4 Определение значений индуктивности фаз в зависимости от угла поворота

§

3.5 Определение механической характеристики ИД.

3.6 Осциллографирование токов фаз в двигательном режиме работы.

3.7 Осциллографирование токов фаз в генераторном режиме работы.

3.8 Проверка адекватности математической модели.:.

Глава 4 Генераторный режим вентильно-индукторного привода.юо

4.1 Математическое описание модели идеальной линейной машины (ИЛМ) в генераторном режиме.\ q \

4.1.1. Включение фазы.

4.1.2. Рабочий интервал фазы.Ю

4.1.3 Этап отключения фазы.

4.2 Определение оптимальных углов коммутации ВИЛ в тормозных режимах.

4.2.1. Определение угла коммутации ВИП при достижении максимальной выходной мощности.Ю

4.2.2. Определение угла коммутации ВИП при достижении минимальных пульсаций момента.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация способов управления вентильно-индукторным двигателем на электрическом транспорте в тормозном режиме»

С 80-х годов в иностранной научно-технической литературе появились материалы о новом перспективном типе электрического привода SRD -Swidched Reluctance Drive. В последние годы практически во всех промышленно развитых странах многими исследовательскими центрами и фирмами ведутся активные разработки этого типа электропривода для различных областей применений. В таком приводе используется очень простая по конструкции и технологии изготовления электрическая машина с неодинаковым числом явно выраженных полюсов на статоре и роторе. На полюсах статора расположены сосредоточенные обмотки. Статорные обмотки переключаются специальным коммутатором (преобразователем) в функции положения ротора.

Не смотря на давнюю известность, вентильно-индукторные двигатели имели ограниченную область применения в силу сложности получения импульсов большой мощности, а также невозможности реализации высокоэффективных алгоритмов управления, обеспечивающих небольшие пульсации момента и высокий КПД. Однако с появлением в последние годы мощной преобразовательной и вычислительной техники ситуация меняется в сторону их более широкого применения.

Так, например, французская компания Radio-Energie (Marcoussis) [15] выпускает приводы и цифровые контроллеры для малых транспортных средств с напряжением питания 24 В. Двигатель может работать в четырех квадрантах с возможностью рекуперации энергии во время торможения. Диапазон мощностей от 0,7 до 2 кВт, частота вращения 3000 об/мин, КПД 80%. Контроллер позволяет отслеживать скорость, нагрузку, зону работы.

В нашей стране одно из внедрений ВИП было произведено заводами «Татэлектромаш» и «Ратеп» в сотрудничестве с кафедрой Электрического транспорта МЭИ в качестве мотор-компрессора троллейбуса и вагона метро.

Была разработана электрическая машина и преобразователь, привод прошел испытания и показал эффективность его использования. Пока область его применения сводится исключительно к двигательному режиму эксплуатации, однако в транспорте существует огромный класс задач связанный с вопросом создания тормозного момента (в том числе с малыми пульсациями) и работы двигателя в генераторном режиме. Это мотор-колеса, стартер-генераторы.

В ряде работ [7, 10, 35] дается описание структуры и возможностей компьютерных программ моделирования работы вентильно-индукторного двигателя, но нет достаточной информации о заложенных в них процедурах и расчетных соотношениях. Также большинство известных публикаций [1, 13, 17, 32, 34] рассматривают вопрос получения двигательного момента с минимальными пульсациями и вибро-шумовыми характеристиками.

В статье М.Г.Бычкова [1] рассматриваются вопросы оптимизации режимов вентильно-индукторного электропривода средствами управления. На базе упрощенных моделей ВИМ получены аналитические соотношения для токов и моментов в различных режимах работы привода и на различных участках цикла коммутации. Сформулированы оптимальные по энергетическим критериям условия управления процессом коммутации. Полученные результаты являются основой для построения системы управления ВИМ, обеспечивающей эффективное преобразование энергии в различных режимах работы. Аналитические соотношения для мгновенных значений тока и момента ВИМ на различных этапах цикла коммутации могут быть использованы при проектировании ВИМ для расчетов среднего значения момента, действующего значения тока и уточненного значения коэффициента электромеханического преобразования.

Однако, при рассмотрении генераторного режима вентильно-индукторного двигателя, большинство авторов лишь упоминают, что необходимо инвертировать угол управления, но не конкретизируют, что при этом свойства машины как объекта управления изменятся, как это будет показано в данной работе. Поэтому задачей автора было: наиболее полно отобразить процессы происходящие в двигателе в генераторном режиме с различными способами управления на базе имитационной модели ВИП.

Проверка адекватности имитационной модели проводилась на вышеупомянутом приводе.

Таким образом, целью диссертационной работы является: оптимизация способов управления вентильно-индукторным двигателем на электрическом транспорте в тормозных режимах.

Предметом исследований является электропривод на базе трехфазного вентильно-индукторного двигателя с числом зубцов статора и ротора 12/14 соответствен но.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

• Разработка математической модели системы «электрический преобразователь - вентильно-индукторный двигатель»

• Снятие экспериментальных данных в двигательном и генераторном режиме

• Проверка адекватности математической модели

• Оптимизация алгоритмов управления для режима максимального КПД

• Оптимизация алгоритмов управления для режима торможения с постоянством момента

Для решения поставленных в работе задач использовалась как теоретическая литература, так и техническая информация, взятая, в основном, из зарубежных источников: каталоги, технические данные устройств, руководства по их применению, интернет-ресурсы. При моделировании на ЭВМ различных режимов работы вентильно-индукторного двигателя использовалось средство визуального моделирования SIMULINK, входящее в программный пакет MATLAB 6.1. Экспериментальные исследования проводились на промышленном образце трехфазного ВИД с преобразователем тока.

В первой главе отмечены отличительные признаки и специфика работы ВИД: дискретность работы, нелинейность магнитной системы и изменение в широких пределах электромагнитных параметров ВИД;

- приведены основные геометрические параметры и соотношения, показана кусочно-линейная апроксимация зависимости индуктивности фазы от угла поворота ротора, используемая для описания вентильно-индукторного двигателя;

- описано электромеханическое преобразование энергии в ВИД: показана графическая интерпретации энергии и коэнергии, выведена формула мгновенного момента, приведен расчет коэффициента электромагнитного преобразования энергии;

- показаны основные достоинства и недостатки вентильно-индукторного двигателя и привода в целом.

Во второй главе с использованием средства визуального моделирования SIMULINK, входящего в состав математического пакета MATLAB, разработана математическая модель ВИП.

В программе предусмотрены различные варианты задания индуктивности фазы, в частности зависимость может быть задана аппроксимирующими прямыми линиями по известным значениям минимальной индуктивности, максимальной индуктивности и значениям углов начала перекрытия и полного перекрытия зубцов. При наличии экспериментально определенной кривой возможно использование полиномиальной зависимости 4-го, 5-го порядка, полученной из экспериментальных данных, путем обработки с помощью любого программного пакета.

Модель содержит выделенный блок фазы двигателя, который может быть использован нужное число раз по количеству фаз двигателя.

В модели предусмотрена возможность разрыва контура скорости для снятия характеристик при постоянстве частоты вращения, при нарастании частоты вращения.

Модель производит расчет коэффициента электромеханического преобразования, величины среднего момента и его пульсации на электрическом обороте при постоянстве скорости вращения для определения оптимальных управляющих воздействий.

В третьей главе описан испытательный стенд вентильно-индукторного электропривода мощностью 5 кВт, разработанный для экспериментальных исследований, включающий два промышленных образца ИД, два преобразователя тока, порошковый тормоз типа ПТ40, датчики тока, напряжения и контрольно-измерительную аппаратуру.

Определены омические сопротивления фаз ИД, снята зависимость индуктивности фазы от угла поворота ротора, сняты статические моментные характеристики и механическая характеристика в двигательном режиме работы, а также кривые токов фаз в двигательном и генераторном режимах работы.

На основе экспериментальных исследований проведена проверка адекватности математической модели ВИЛ. Подтверждена возможность использования математической модели, созданной в визуальной среде Matlab для оценки поведения реального ИД в различных режимах работы.

В четвертой главе приведено математическое описание вентильно-индукторного двигателя в генераторном режиме работы и рассмотрены способы управления при достижении максимального коэффициента электромеханического преобразования и минимальной пульсации момента.

Проведен анализ зависимости коэффициента электромеханического преобразования от способа управления.

Рекомендован алгоритм оптимизации способа управления для ВИП разной конструкции и мощности в режимах оптимизации по коэффициенту электромеханического преобразования и по пульсации момента.

Сделан вывод о неэффективности генераторного режима при токоограничении. Рекомендуется регулировать момент путем снижения напряжения инвертора, используя преобразователь уровня напряжения.

В заключении обобщены основные результаты работы.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. |А.В. Сафронов|, М.Г. Колобов, А.В. Амелькин, М.В. Логинов, Д.В. Елисеев. Торможение одноименно-полюсных индукторных машин // Девятая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докл. - М., Моск. энерг. ин-т, 2003. - Т. 2. - С. 143 - 144.

2. |А.В. Сафронов|, А.В. Амелькин, П.Л. Бураков. Математическая модель вентильно-индукторного двигателя // Пятая Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение»: Труды МКЭЭЭ-2003. докл. - Крым, Алушта, 2003. - Ч. 2. - С. 170-173.

3. А.В. Амелькин. Разработка вентильно-индукторного привода для вагонов метрополитена // Пятая Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение»: Труды МКЭЭЭ-2003. докл. - Крым, Алушта, 2003. - Ч. 1. - С.720-721.

4. М.А. Слепцов, А.В. Амелькин, Построение математической модели вентильно-индукторного двигателя // Вестник ГЭТ России - 2003. - № 5. -С. 25-30.

1. Основные свойства вентильно-индукторного двигателя.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Амелькин, Андрей Викторович

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В работе получены следующие основные результаты:

1. Разработана имитационная модель в среде MATLAB, для оценку коэффициента электромеханического преобразования, пульсаций момента, потребляемой и отдаваемой мощности, действующего значения тока фазы при различных способах управления ВИД.

2. Рекомендован алгоритм оптимизации способа управления для ВИД разной конструкции и мощности в режимах оптимизации по коэффициенту электромеханического преобразования и по пульсации момента во всем диапазоне изменения нагрузки и частоты вращения.

3. Анализ работы привода на низких скоростях показал, что для поддержания постоянного момента при работе фазы в токовом коридоре следует изменять угол включения фазы в сторону отставания, либо уменьшать напряжение, подводимое к фазе ВИД, с целью сохранения постоянства момента без режима токового коридора.

4. Предложена структурная схема и алгоритм управления вентильно-индукторным двигателем в генераторном режиме работы.

5. Сравнение результатов моделирования ВИД, его механических характеристик и кривых токов с характеристиками и осциллограммами, полученными экспериментально, подтверждают адекватность созданной имитационной математической модели с погрешностью менее 10%.

6. Рекомендованы желаемые свойства будущих разрабатываемых ВИП для задач с торможением и рекуперацией. Для реализации качественного управления требуется микропроцессорная система управления. Соотношение проводимостей максимальной к минимальной должно быть как можно выше.

7. Показано, что данный ВИД может работать в генераторном режиме с коэффициентом электромеханического преобразования 0,53 при этом пульсации момента составляют 39%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Амелькин, Андрей Викторович, 2004 год

1. Бычков М. Г. Основы теории, управление и проектирование вентильно-индукторного электропривода: Дис. на соискание ученой степени д-ра техн. наук. -М., 1999.-354 с.

2. Кузнецов В.А., Кузмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. Учебное пособие по курсу «Специальные электрические машины» для студентов, обучающихся по направлению 180100 «Электромеханика». М. МЭИ, 2003г.

3. Lawrenson Р and al. Variable-Speed SRM.- IEEE Proc. Vol.127, No.4, July 1980.

4. Davis R. Variable Reluctance Rotor Structures-Their Influence on Torque Production. IEEE Trans, on Ind. Electron. Vol. 39, No. 5. Apr. 1992

5. Pollock C., Williams B. Power Convertor for SRM with minimum Number of switches. IEEE Proc. Vol. 137. No. 6. Nov. 1990. p.373-384

6. Miller T. SRM and Their Control. Oxford University Press. 1993

7. Оптимальное проектирование вентильно-индукторных двигателей/ Т.Миллер// IEEE Transactions on industrial electonics, Volume: 49 Issue: 1 , Feb. 2002.

8. Бычков М.Г. Элементы теории вентильно-индукторного электропривода. Электричество, №8, 1997, с.35-44

9. General Motors: интернет-доку мент. http://www.usmotors.com, 2000

10. П.Ильинский Н.Ф. Вентильно-индукторные машины в современномэлектроприводе. Тез. докл. научно-технич. семинара "Вентильно-индукторный электропривод проблемы развития и перспективы применения". М.: МЭИ, 1996

11. Рубцов В.П. Анализ перспективности разработки и применения вентильно-индукторного электропривода // Вентильно-индукторный электропривод -проблемы развития и перспективы применения: Тез. докл. науч.-техн. семин. 30-31 января 1996 г. М., 1996. - С. 7-8

12. З.Бычков М.Г. Оптимизация режимов вентильно-индукторного электропривода средствами управления. Вестник МЭИ, 1998, № 3, с. 73-81

13. И.Бычков М.Г. Анализ вентильно-индукторного электропривода с учетом локального насыщения магнитной системы. Электричество, №6, 1998, с.50-53

14. Sizing a switched reluctance motor for electric vehicles // Ramamurthy S.S.; Balda, J.C. IEEE Transactions on, Volume: 37, Issue: 5, Sept.-Oct. 2001 Page(s): 1256-1264.

15. P. Luk, P. Jinupun. Direct Torque Sensorless Control for Switched Reluctance Motor Drives. UK, 1999

16. W. Cai, P. Pillay. Resonance Frequencies and Mode Shapes of Switched Reluctance Motors. USA, 1999

17. Бычков M. Г. Элементы теории ВИП. Электричество №8, 1997, 10 с

18. Кузнецов В. А., Садовский Л. А., Лопатин В. В., Виноградов В. Л. Особенности расчета ИД для вентильного электропривода. Электротехника №6, 1998, 8 с

19. Виноградов В. Л. Выбор типа и особенности расчета индукторных двигателей для вентильного электропривода. Труды конференции. МЭИ. 1999 г

20. Виноградов В. JI Подход к системному проектированию вентильно -индукторного электропривода (ВИП). Труды конференции. Клязьма. 1998 г

21. Кузнецов В.А., Матвеев А.В. Дискретная математическая модель вентильно-индукторного двигателя. Электричество №4, 2000

22. Бычков М. Г., Козаченко В. Ф., Гольштейн М. Ю., Семенчук В. А. Испытательный комплекс для экспериментальных исследований ВИП. МКЭЭ 96. Международная конференция по электромеханике и электротехнологии. Тезисы 42, 5.10.1996, с.20-21

23. Ильинский Н. Ф., Бычков М. Г., Вентильно-индукторный привод для легких электрических транспортных средств. Электротехника №2, 2000, 4с

24. Кузнецов В.А., Матвеев А.В. К определению числа витков фазы вентильно-индукторного двигателя. Электротехника №4, 2000

25. Miller Т. Bruchless Perman.-Magnet and Reluctance Motor. Oxford, Clarendon Press, 1989

26. L. Xu, T. Raos. Analysis of a New Variable Speed Singly Salient Reluctance Motor Utiliting Only two Transistor Switches. IEEE Trans. Ind., Vol.26, March 1990, p. 229-236

27. Giuseppe S. Variable Structure Control of SRM Drive. IEEE TRANACTIONS INDUSTRY APLICATIONS VOL. 40, # 1, 1993

28. P. Nielsen, L. Andersen, and P.C. Kjmr. Energy optimization and control strategies for switched reluctance motor. MS Thesis, 1993. Aalborg University Denmark

29. W.F. Ray and I.H. Al-Bahadly. A sensorless method for determining rotor position forswitched reluctance motors. Conf. Proc. of Power electronics and variable-speed drives, pages 13 ~ 17, October 1994

30. L. Xu and J. Bu. Position transducerless control of a switched reluctance motor using minimum magnetizing input. Proc. IEEE-IAS'9/, October 1997

31. Уткин С. Ю. Разработка электронных коммутаторов вентильно-индукторных электроприводов широкого применения: Дис. на соискание ученой степени кандидата техн. наук. М., 2002. - 214 с.

32. K. McLaughlin, "Torque ripple control in a practical application," in Electronic Control of Switched Reluctance Motors, ser. Newnes Power Engineering Series, T. J. E. Miller, Ed. Oxford, U.K.: Newnes, 2001, ch. 8

33. Nesimi Ertugru/, Adrian D. Cheok, Indirect Angle Estimation in Switched Reluctance Motor Drives Using Fuzzy Logic Based Motor Model // IEEE transactions on power electronics, vol. 15, no. 6, november, 2000.

34. Optimal commutation in average torque control of switched reluctance motors. /Gnbble J. J., Kjaer P. C., Miller T. J. E.//IEE Proc. Elec. Power Appl.-1999.-t.146,N l.-C. 2-10.

35. Максимов А.А. «Разработка и исследование микропроцессорных системуправления электроприводами собственных нужд с индукторнымидвигателями». Дис. на соискание ученой степени кандидата техн. наук. М.,2000. 140 с.

36. W. Pengov and R.L. Weinberg, "Designing for low noise," in Electronic Control of Switched Reluctance Motors, ser. Newnes Power Engineering Series, Ed. Oxford, 2001

37. Nicolai Т. Simplified Electronics Bring the SRM to the Mass Market. Proc. EPE-95, Vol. 3, p. 3.903-3.907.

38. Acarnley P. Position Estimation in SRD. Proc. EPE-95, Vol.3, p.3.765-3.770.

39. Comfer T. Microprocessor-Controlled single-phase SRM. Drives/Motors/Controls, Brighton, 68-4, 1984

40. Кузнецов В.А. Усилия, действующие на зубцы электрических машин. -Тр./Моск.энерг.ин-т. Вып. 656. 1992. с.3-11

41. Е. Chabu, S.l. Nabeta, J.R. Cardoso. Design aspects of 4:2 Pole Phase Switched Reluctance Motor, Brasil, 1999

42. Mutsui N. Etc. High Precision Torque Control of Reluctance Motor. IEEE -1989, p. 335-340

43. Бычков M. Г. Основы теории, управление и проектирование ВИП. Автореферат по диссертации на соискание степени ДТН, МЭИ, 1999

44. Дроздов П. А. Разработка новых алгоритмов управления вентильно-индукторных электроприводов:. Дис. на соискание ученой степени кандидата техн. наук. М., 2003. - 120 с.

45. Кузнецов В.А., Матвеев А.В. К определению числа витков фазы вентильно-индукторного двигателя. Электротехника №4, 2000.

46. Виноградов В. JI Подход к системному проектированию вентильно -индукторного электропривода (ВИП). Труды конференции. Клязьма. 1998 г

47. S.E. Lyshevski, A. Nazarov, A. El-Antably. Design and optimization, Steady-State and Dynamic Analisys of Synchronous Reluctance Motors Conrolled by Voltage-Fed Converters with Nonlinear Controllers, USA, 1999