CC BY
74
УДК 62-523.8. 681.3
С.А. Гагарин, асп., sergey gagarin@mail.ru (Россия, Москва, МАИ)
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕХАТРОННОГО МОДУЛЯ НА ОСНОВЕ ТРЁХФАЗНОГО ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ФАЗАМИ, СОЕДИНЁННЫМИ ПО СХЕМЕ «ТРЕУГОЛЬНИК»
Представлены энергетические характеристики мехатронного модуля цифрового электропривода с векторным широтно-импульсным управлением скоростью входящего в его состав трёхфазного вентильного двигателя, фазы которого соединены по схеме «треугольник».
Ключевые слова: цифровой электропривод, вентильный двигатель, импульсное управление, векторная широтно-импульсная модуляция, энергетические характеристики.
Работы по созданию и исследованию энергоэффективных способов векторного широтно-импульсного управления скоростью трёхфазного вентильного двигателя (ВД), входящего в состав мехатронного модуля (ММ) цифрового электропривода, ведутся на протяжении двух последних десятилетий. Различным способам векторной широтно-импульсной модуляции (ВШИМ), направленным на улучшение спектрального состава напряжений на выходе импульсного усилителя мощности (ИУМ) и снижение коммутационных потерь в ИУМ, посвящено большое количество научных работ и публикаций, среди которых следует отметить [1-4]. Однако при проектировании ММ привода необходима информация о количестве потребляемой ММ мощности и эффективности её использования с учётом реальных параметров ВД, схемы соединения фаз его статорной обмотки и дополнительных потерь мощности [5], вызванных пульсациями фазных токов вследствие переключения ключевых элементов (КЭ) ИУМ. Поэтому разработка методов и средств определения энергетических характеристик ММ при произвольном способе ВШИМ является актуальной задачей.
В случае цифровой реализации ВШИМ управление величиной и положением результирующего вектора магнитной индукции поля статора ВД осуществляется путём последовательного задействования на периоде широтно-импульсного сигнала (ШИС) различных комбинаций включённых и выключенных КЭ ИУМ, что обеспечивает различные схемы подключения фаз статора к источнику питания (ИП) и отключению от него. Комбинации включённых и выключенных КЭ, при которых фазы статора подключены к ИП, соответствуют базовым векторам магнитной индукции поля статора, в то время, как остальные комбинации соответствуют нулевым векторам. Моменты включения каждого КЭ и длительность его нахождения во включённом состоянии определяются текущим положением ро-
тора ВД, его требуемым направлением и частотой вращения. Как правило, для формирования базовых векторов используются КЭ, расположенные во всех трёх стойках ИУМ (трёхстоечная ВШИМ - 3ВШИМ). Однако существуют способы, при которых для формирования базовых векторов используются только две стойки ИУМ (двухстоечная ВШИМ - 2ВШИМ) [6] либо последовательно чередуются в течение периода фазных напряжений две и три рабочие стойки (комбинированная ВШИМ - КВШИМ) [6-8]. Кроме того, каждый из перечисленных способов может быть реализован посредством различных последовательностей задействования базовых и нулевых векторов на периоде ШИС с использованием различных наборов нулевых векторов и вариантов распределения времени между ними. В настоящей работе исследуются способы 3ВШИМ, 2ВШИМ и КВШИМ, при которых эпюры прикладываемых к фазам ВД напряжений для различных требуемых положений результирующего вектора имеют вид, показанный на рис. 1.
Рис. 1. Эпюры напряжений, прикладываемых к фазам ВД
Длительности задействования базовых и нулевых векторов на пе риоде ШИС определяются по формулам
В
шис
т
еоэ
В
Ф д ф7 + 1,
грВ гр
; Т 2 = Т шис 9
т
еОБ
В
Фд - Ф7
z
z
TiZ = tz =
T
шис
TiB + T2B)
2
rГB rГB
где Т и T2 - длительности включения используемых в текущем секторе базовых векторов, с; Тшис - период ШИС, с; ш - индекс модуляции, характеризующий требуемую частоту вращения; р - число пар полюсов; фд
В В
- текущее угловое положение ротора ВД, рад; фг- и фг+1 - угловые положения используемых базовых векторов в электрической системе координат, рад; 0 - угловая ширина сектора между смежными базовыми векторами, равная 60° в случае 3ВШИМ и 2ВШИМ и 30° в случае КВШИМ; Т^
2
и Т2 - длительности включения нулевых векторов, с.
Для определения энергетических характеристик ММ при способах 3ВШИМ, 2ВШИМ и КВШИМ в среде моделирования Simulink была разработана компьютерная модель ММ (рис. 2), которая учитывает изменение контура протекания тока при переключении КЭ ИУМ, синусоидальную форму противоЭДС, взаимоиндукцию между фазами статорной обмотки ВД и их соединение по схеме «треугольник».
Рис. 2. Модель ММ в Simulink
Модель включает в свой состав:
- блок цифровой системы управления (ЦСУ), формирующей логические сигналы, поступающие на управляющие входы KЭ ИУМ, в соответствии с алгоритмами 2BШИМ, 3BШИМ и ^ШИМ;
- блок ИУМ, в качестве которого используется элемент Universal Bridge библиотеки SimPowerSystems с ГО типа MOSFET;
- блок трёхфазного синхронного двигателя с фазами, соединёнными по схеме «треугольник» [5], и параметрами, приведёнными в табл. 1;
- блок идеального ИП постоянного напряжения (27 B);
- блоки задания кода управления, поступающего на вход ЦСУ, частоты ШИС и статического момента нагрузки, прикладываемого к ротору
Bft
- блок измерений для записи внутренних координат ММ в рабочую область МА^АВ;
- блок управления элементами библиотеки SimPowerSystems.
Таблица 1
Параметры двигателя
Параметр Значение
Коэффициент момента, Нм/А 0,0245
Коэффициент противо-ЭДС, Вс/рад 0,0245
Момент инерции, кгм2 10-5
Число пар полюсов 4
Сопротивление фазы, Ом 10
Индуктивность фазы, мкГн 750
Взаимоиндукция между фазами, мкГн 250
В результате проведённого моделирования были определены средние значения потребляемой ММ мощности -Рпот, полезной мощности /)пол и КПД п при различных значениях индекса модуляции и статического момента нагрузки на роторе ВД. Полученные зависимости в диапазоне 0 < т < л/3 / 2 представлены в виде поверхностей на рис. 3, на котором обозначено: М* = Мсн/Мпуск зпвм, где Мсн - статический момент нагрузки на валу ВД, Мпуск зпвм - средний пусковой момент в случае 3ВШИМ при том же самом индексе модуляции; т* = т -Охх/Охх 2пвм,
где Ох х - скорость холостого хода при текущем способе ВШИМ, Охх 2пвм - скорость холостого хода при способе 2ВШИМ. Значения энергетических показателей в каждой точке поверхностей вычислены при работе ВД в установившемся режиме при частоте ШИС, равной 10 кГц. Потребляемая ММ электрическая мощность определена как среднее значение произведения напряжения ИП на ток, протекающий через него, за период фазных напряжений. Полезная механическая мощность на роторе ВД вычислена как среднее значение произведения электродвижущего момента на частоту вращения ротора за период фазных напряжений.
Способ 3ВШИМ характеризуется наибольшими значениями максимальной потребляемой и полезной мощности среди рассматриваемых способов, а 2ВШИМ - наименьшими (табл. 2). Максимальное значение КПД достигается при использовании способа 2ВШИМ, которое превосходит максимальное значение КПД в случае 3ВШИМ приблизительно на 9 %. В то же время интегральное значение КПД при способе 3ВШИМ, вычисленное как объём под поверхностью и учитывающее работу ММ во всём диапазоне скоростей и моментов, является наибольшим среди рассматриваемых способов. В случае соединения фаз статора ВД по схеме
«треугольник» максимальные значения потребляемой и полезной мощности в три раза превосходят аналогичные параметры при соединении фаз по схеме «звезда», а максимальные значения КПД при обоих схемах соединения фаз совпадают [9].
Рис. 3. Поверхности энергетических характеристик
Таблица 2
Результаты моделирования
Параметр Способ управления
3ВШИМ КВШИМ 2ВШИМ
Средняя скорость холостого хода при ш = л/э / 2, рад/с 1107 1048 1113
Средний пусковой момент при ш = а/3/2, Нм 0,098 0,089 0,071
Максимальное значение ^пот, Вт 109,6 90,0 60,5
Максимальное значение -Рпол, Вт 26,9 22,9 17,4
Максимальное значение КПД 0,78 0,86 0,87
Объём под поверхностью ^пот, Вт 16,36 11,57 6,57
Объём под поверхностью ^пол, Вт 5,22 3,76 2,34
Объём под поверхностью КПД 0,35 0,30 0,26
Таким образом, в работе представлены энергетические характеристики ММ цифрового электропривода с трёхфазным ВД, фазы которого соединены по схеме «треугольник», при трёх способах ВШИМ, различающихся наборами базовых и нулевых векторов, используемых для формирования вращающегося магнитного поля статора ВД. Показано, что различные способы ВШИМ существенно влияют на энергетические характеристики ММ, что необходимо учитывать при проектировании цифрового привода. Разработанная компьютерная модель ММ учитывает изменение контуров протекания токов при переключении КЭ ИУМ и может быть использована для исследования физических процессов как в информационном, так и в энергетическом канале ММ при произвольном способе ВШИМ.
Список литературы
1. Hava A.M., Kerkman R.J., Lipo T.A. Simple analytical and graphical methods for carrier-based PWM-VSI drives // IEEE Trans. Power Electron. Vol. 14. Jan. 1999. Pp. 49-61.
2. Holtz J. Pulsewidth modulation for electronic power conversion // Proceeding of the IEEE. Vol. 82. No. 8. Aug. 1994. Pp. 1194-1214.
3. Mehrizi-Sani A., Filizadeh S., Wilson P.L. Harmonic and loss analysis of space-vector modulated converters / Int. Conf. on Power Systems Transients (IPST 07). Lyon, France. Jun. 2007.
4. Zhang W.-F., Yu Y.-H. Comparison of three SVPWM strategies // Journal of Electronic Science and Technology of China. Vol. 5. No. 3. 2007. Pp. 283-287.
5. Гагарин С.А., Кривилёв А.В., Ситникова А.В. Дополнительные потери мощности в мехатронном модуле привода на основе трёхфазного вентильного двигателя с фазами, соединёнными по схеме «треугольник» // Мехатроника, автоматизация, управление. 2010. № 11 (116). С. 18-24.
6. Козаченко В.Ф. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам // Chip news. 1999. № 1.
7. Горячев О.В., Ерошкин Е.А. Векторное управление асинхронными трёхфазными двигателями // Электроника: НТБ. 1999. № 4.
8. Горячев О.В., Панков А.П. Разработка алгоритмов управления силовой системой привода переменного тока // Известия ТулГУ. Сер. Вычислительная техника. Информационные технологии. Системы управления. Вып. 3. Системы управления. Т. 1. 2006. 268 с.
9. Гагарин С.А., Кривилёв А.В. Влияние способов векторного управления на энергетические характеристики мехатронного модуля привода с вентильным двигателем // Материалы 7-й Научно-технической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление». СПб. :
ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2010.
S.A. Gagarin
PERFORMANCE OF THE MECHATRONIC MODULE BASED ON THE THREEPHASE PMSM WITH DELTA-CONNECTED WINDINGS
Performance of the mechatronic module of the digital electric drive based on the threephase PMSM with delta-connected windings at space-vector pulse-width modulation control is presented.
Key words: digital electric drive, permanent magnet synchronous motor, impulse control, space-vector modulation, performance.
Получено 30.11.11
УДК 629.7
М.В. Борисов, асп., (905) 586-10-94, one2k.bmw@gmail.com (Россия, Москва, МАИ),
С.Л. Самсонович, д-р техн. наук, проф., (910) 414-07-26 (Россия, Москва, МАИ)
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СХЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ВЫХОДНЫМ ЗВЕНОМ, ДВИЖУЩИМСЯ ПОСТУПАТЕЛЬНО
Проведен обзор механических передач и рассмотрена конструктивная схема построения исполнительного механизма электропривода на основе волновой передачи с телами качения и шариковой винтовой передачи с сепаратором.
Ключевые слова: электропривод руля направления, волновая передача с телами качения, шариковая винтовая передача с сепаратором.
На самолетах широко применяются гидроприводы поступательного действия, у которых шток совершает поступательное движение с необходимыми скоростью и усилием. В последнее время активно разрабатываются электрогидростатические приводы, имеющие в основе электродвигатель, а в качестве редуктора - гидропередачу. Рассматривается альтернативный вариант построения привода, способного выполнять функции электрогидравлического привода, с теми же характеристиками. Таким образом, новая конструкция должна устанавливаться на место гидропривода и удовлетворять всем тем требованиям, которые предъявляются к гидроприводу. Это накладывает ряд условий на разработку:
- габаритные размеры должны допускать расположение привода в миделе крыла;
