CC BY
21
Оригинальная статья / Original article УДК 321.313
DOI: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2020-3-484-497
Cnoco6 двухзонного регулирования скорости вентильного двигателя
© М.А. Беляев*, А.В. Прилуцкий**, С.В. Таленфельд***
*Военно-морской политехнический институт им. Н.Г. Кузнецова, г. Санкт-Петербург, Россия **ООО «НГ-Энерго», г. Санкт-Петербург, Россия ***ОАО «Авангард», г. Санкт-Петербург, Россия
Резюме: Цель - разработка способа двухзонного регулирования скорости вентильного двигателя с магнитоэлектрическим возбуждением, применяемого для привода различных машин и механизмов циклического действия или позиционного типа. Применялись методы моделирования на основе современной теории электропривода (с использованием уравнений Горева-Парка) и методы классической теории управления. Разработан способ двухзонного регулирования скорости вентильного двигателя на основе ранее апробированной одноконтурной системы управления его скоростью ниже синхронной, с полной компенсацией тока статора по продольной оси d. Описан способ регулирования скорости выше синхронной за счет неполной компенсации (задаваемой коэффициентом) тока статора по продольной оси. Разработана нелинейная модель вентильного двигателя (на основе уравнений Горева-Парка), позволяющая исследовать режимы его функционирования при скоростях выше и ниже синхронной. Проведенное моделирование для двигателя с конкретными параметрами включало в себя пусковые и тормозные режимы, плавные переходы с одной скорости на другую (путем подбора скорости изменения уставки), скачкообразный сброс и наброс нагрузки. Для управления использовалась одноконтурная система управления с пропорционально-интегрально-дифференциальным регулятором. Разработанная модель позволяет подобрать необходимый закон изменения напряжения по поперечной оси q статора изучаемого двигателя с целью не допустить перегрузки по току преобразователя частоты при работе двигателя как выше, так и ниже синхронной скорости. Исследованы динамические режимы работы замкнутой системы «преобразователь частоты - вентильный двигатель» в среде имитационного моделирования Simulink пакета Matlab. Полученные уравнения статических режимов позволяют определить ограничения по скорости и моменту при двух вариантах работы привода. Таким образом, разработана более простая система управления вентильным двигателем, чем классическая двухкон-турная, в которой не предполагается отключение преобразователя частоты при перегрузках.
Ключевые слова: вентильный двигатель, одноконтурная система управления, неполная компенсация тока статора по продольной оси, двухзонное регулирование скорости, преобразователь частоты, привод
Информация о статье: Дата поступления 19 ноября 2019 г.; дата принятия к печати 16 марта 2020 г.; дата онлайн-размещения 30 июня 2020 г.
Для цитирования: Беляев М.А., Прилуцкий А.В., Таленфельд С.В. Способ двухзонного регулирования скорости вентильного двигателя. Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020. Т. 24. № 3. С. 484-497. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-3-484-497
Dual-zone speed control method for an inverted motor
Mikhail A. Belyaev*, Alexander V. Prilutsky**, Sergey V. Talenfeld***
*N.G. Kuznetsov Naval Polytechnic Institute, St. Petersburg, Russia **LLC "NG-Energo", St. Petersburg, Russia ***JSC "Avangard", St. Petersburg, Russia
Abstract: The aim of the study involved the development of a dual-zone speed control method for a permanent magnet inverted motor applied as a drive for various machines and mechanisms of cyclic action or positional type. In the study, modelling methods were applied based on the contemporary theory of electric drives (using Gorev-Park equations) accompanied by methods derived from classic control theory. As a result, the dual-zone speed control method for an inverted motor was developed based on a previously tested single-circuit control system applicable for speed values below synchronous with full compensation of the stator current along the d longitudinal axis. A method is described for controlling the speed of the value of the stator current superior to synchronous due to incomplete compensation (specified by the coefficient) along the longitudinal axis. A nonlinear model of an inverted motor (based on the Gorev-Park equations)
ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020;24(3):484-497
was developed to support a study of its functioning modes at speeds both higher and lower than synchronous. For an engine with specified parameters, the modelling included starting and braking modes, smooth transitions from one speed to another (by selecting the setpoint changing speed), as well as abrupt drops and increases in the load. For the control, a single-circuit control system with a proportional integral differential controller was used. The developed model ensures the selection of the necessary pattern for voltage change along the q transverse axis of the studied motor stator, thus preventing the current overload of the frequency converter during the motor operation both above and below the synchronous speed. Dynamic modes of the "frequency converter - inverted motor" closed-loop system were investigated in the Simulink environment of the Matlab package. The obtained equations of static modes support a determination of the restrictions on speed and torque for two versions of the drive. Thus, the developed inverted motor control system is simpler than the classic dual-circuit system that lacks frequency converter disconnection during overloads.
Keywords: inverted motor, incomplete compensation of stator current along longitudinal axis, dual-zone speed control, frequency converter, drive
Information about the article: Received November 19, 2019; accepted for publication March 16, 2020; available online June 30, 2020.
For citation: Belyaev MA, Prilutsky AV, Talenfeld SV. Dual-zone speed control method for an inverted motor. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2020;24(3):484-497. (In Russ.) https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-3-484-497
1. ВВЕДЕНИЕ
Вентильный двигатель (ВД) находит все большее применение для привода различных машин и механизмов, в частности для нужд военно-морского флота. Однако остаются актуальными вопросы определения адекватной модели ВД с возможными ограничениями и получение рациональных или оптимальных законов управления ВД в динамических и статических режимах работы [1-4].
Одной из серьезных проблем остается нахождение способов двухзонного регулирования скорости ВД с магнитоэлектрическим возбуждением (как это делается в коллекторных машинах постоянного тока). На сегодняшний день есть два способа регулирования скорости ВД. Первый способ предполагает полную компенсацию тока по продольной оси статора (ось б), при этом скорость регулируется изменением напряжения по поперечной оси статора (ось q). Второй способ предполагает неполную компенсацию тока по продольной оси статора, что уменьшает магнитный поток машины и позволяет использовать привод на скоростях выше синхронной. Второй способ обычно реализуется в виде системы подчиненного регулирования [5], что усложняет расчет регуляторов скорости и момента, особенно с учетом ограничений по напряжению (или току) на выходе пре-
образователя частоты, и фактически требует решения оптимизационной задачи [6].
В данной работе предлагается способ двухзонного регулирования скорости ВД. Для регулирования скорости ниже синхронной используется способ векторного управления скоростью ВД (первый способ), предполагающий полную компенсацию тока статора по оси б [7, 8]. Для регулирования скорости выше синхронной используется второй способ, заключающийся в выборе коэффициента неполной компенсации тока статора по оси б, в зависимости от необходимого превышения скорости выше синхронной, и отличающийся от известных способов возможностью использования одноконтурной системы управления, разработанной для реализации первого способа. Последнее обстоятельство позволяет считать первый способ частным случаем второго и свидетельствует о способе двухзон-ного регулирования скорости ВД. Отметим, что термины «регулирование» и «управление» в данной работе не имеют четкой границы. На сегодняшний день в теории автоматического управления (ТАУ) термин «регулирование» принято использовать для систем стабилизации, а термин «управление», соответственно, для следящих систем. Причем к качеству переходных процессов последних предъявляются дополнительные требования по воспроизведению на выходе задающего воздействия. В рас-
ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020;24(3):484-497
сматриваемых ниже системах их следящие свойства рассматриваются только с точки зрения заданных ограничений изменяющихся в них физических величин. В целом сочетание «способ регулирования» (используется в электроприводе) имеет более широкий смысл, чем «система управления» (используется в ТАУ).
2. ОДНОКОНТУРНАЯ СИСТЕМА ДВУХЗОННОГО УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Общеизвестно, что 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 300-500 кВт, отличающиеся широким и плавным регулированием, высоким КПД, большими пусковыми моментами и динамическими характеристиками, не менее приемлемыми, чем у коллекторных машин постоянного тока (МПТ). При этом контактные кольца могут быть исключены за счет магнитоэлектрического возбуждения. Новое поколение магнитов типа NdFeB обеспечивает магнитную индукцию В = 0,5 ^ 1Тл, что позволяет создавать ВД с хорошими удельными мас-согабаритными показателями. Это обстоятельство определяет возможность широкого применения ВД для транспорта, в частности для нужд военно-морского флота. Как указано выше, есть два способа управления скоростью ВД. Рассмотрим первый способ, позволяющий считать ВД аналогом коллекторной МПТ. Для моделирования ВД и выбора закона регулирования напряжения на его зажимах рассмотрим два подхода:
1. С позиции коллекторных МПТ
[9, 10].
2. С использованием теории СМ, которая наиболее часто используется в литературных источниках, поскольку основным ВД является синхронный двигатель (СД), а теория СМ обеспечивается хорошо проработанным методическим аппаратом
[11-15].
Для моделирования СМ обычно используются уравнения Горева - Парка. Без учета демпферных обмоток имеем следующую систему уравнений:
d¥d
- Ud -
dr = U- ■d
da
dr
d¥a
- Ud - h'rd W* -¥d-¥d о
dr
-(Vd-iq -Wq'h -Mc )•1
d¥d , Wq
d L''q L
, (1)
где у0 - потокосцепление ротора (постоянная величина); у* - реакция якоря по оси d; у - реакция якоря по оси q; у -потокосцепление ВД по оси d; И] - момент инерции двигателя и рабочего механизма, о.е.; ^ - напряжение статора по оси d; и
- напряжение статора по оси q; ^ - ток статора по оси d; I - ток статора по оси q; Мс - момент сопротивления рабочего механизма; ю - скорость вращения ротора.
Для первого способа управления выбирают условие: = 0. Оно соответствует равенству: и = ~юуч, которое используется для компенсации тока . В этом случае у* = у и достигается ортогональность векторов у и у (векторное
управление), что, в свою очередь, позволяет при данных массогабаритных показателях двигателя (и прочих равных) иметь максимальный момент на его валу (как в машинах постоянного тока, когда щетки на геометрической нейтрали).
В случае, когда = 0, векторная
диаграмма ВД принимает вид, показанный на рис. 1.
Для установившихся режимов Мд и ю ВД определяются по формулам:
>
ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020;24(3):484-497
Рис. 1. Векторная диаграмма вентильного двигателя Fig. 1. BLDC motor vector diagram
где <ашд - уставка (заданное значение)
по скорости ВД.
Причем в качестве регулятора Wpez (Р) выбран пропорционально-
интегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор.
Зачастую пропорционально-
интегрально-дифференциальные регуляторы интегрированы в преобразователи частоты и имеют следующую структуру:
с ds
uq = kns + ku\sdt +kd — , (6)
где S=®3aö -Ю-
В работе [7] рассматривались в первую очередь 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. Пуск ВД принципиально отличается от пуска синхронного двигателя.
2. Требования к пусковому режиму обычно определяется технологическим
мд =w0 ■ к; (2)
U — i ■ r U M ■ r
U q lq ' U q Д /ON
ю=——q— = —--. (3)
Wo Wo Wo
Таким образом, изменяя мгновенное значение и (и поддерживая и =~а>¥ч),
имеем возможность регулировать Мд и со
по каналу напряжения, также как у машин постоянного тока [2, 15, 16].
3. ОДНОКОНТУРНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ НИЖЕ СИНХРОННОЙ
В работе [8] предлагается следующий вариант векторного управления ВД:
и, о ; (4)
ич = Wpю (РУС -о), (5)
ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020;24(3):484-497
процессом (моментом сопротивления рабочего механизма и его моментом инерции, необходимым временем пуска и т.п.).
Наибольшее значение имеют следующие показатели:
М„
- кратность пускового момента —-;
Мн
- кратность пускового тока ;
- продолжительность пуска;
- потери энергии при пуске.
В работе [7] была решена задача обеспечения пускового режима с использованием задатчика интенсивности изменения юшд по времени с учетом ограничений
и,
по параметрам U
i.
, d . При моделиро-граничные условия
вании вводились по напряжению U = <JUf+Uf< 1
i = iq <1-
и току
Кратковременная перегрузка по току (в пусковых режимах) определяется параметрами преобразователя частоты (ПЧ) и
лежит обычно в пределах 30-100% от номинального значения тока ПЧ.
Применяемая для исследования режимов ВД структурная схема показана на рис. 2, коэффициент а в данном случае равен 0.
В большинстве случаев задача выбора коэффициентов ПИД-регулятора при заданных параметрах ВД и требованиях к пусковому режиму может быть сведена к задаче многопараметрической оптимизации с ограничениями [4], в которой в качестве критериев оптимизации могут выступать не только время пуска, но и интегральные показатели, например, от квадрата тока (что соответствует потерям энергии при пуске) и т.п.
В работе [7] предлагается более простой подход, который заключается в следующем: коэффициенты регулятора выбираются по линейной (без ограничений) схеме управления ВД по оси д, показанной на рис. 3 (т.е. предлагается полная компенсация тока и ). А требования по качеству
ЗИ
БН1
Ю
Ю
зад
kS2 +kß+ku Г
• S J
Uq
И
S
№
rq
q+d
И
Iq^^yxML
iqtyd
HjS
и
к
a
u„
4
u; + U
БН2
U
Wd
Wo
Рис. 2. Структурная схема одноконтурной системы двухзонного управления скоростью вентильного двигателя Fig. 2. Block diagram of a single-circuit dual-zone control system of BLDC motor speed
r
q
к 1 Wd 1 iq
S Ld
1
1
+
+
+
ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020;24(3):484-497
пускового режима обеспечиваются временем пуска (режимом нарастания уставки по скорости юзад), которое подбирается путем
моделирования соответствующей схемы в пакете Matlab.
Учитывая, что у = 1 и заданные
параметры реального ВД: X = 1; = 1,25 ;
г = ^ = 0,05, о.е. (приведены в работе [8]),
относительно задающего воздействия юзад
имеем упрощенную структурную схему (рис. 4).
Параметры регулятора выбираются из условия динамической компенсации [15, 17]:
Грубость или робастность системы в данном случае определяется тем, что передаточная функция объекта не имеет правых нулей и полюсов [18]. Заметим, что техническая реализация ПИД-регулятора (6) требует включения фильтра [4] (например, в виде инерционного звена с малой постоянной времени - не указан в схеме, т.к. не влияет на динамику системы).
Исходя из параметров регулятора, передаточная функция разомкнутой системы:
^ - S)- k
(-)
£( S
H]S
(9)
S2 + ^s + ^ - s2 +—S + —; (7)
К
К
20 H,
Передаточная функция желаемой замкнутой системы:
t - ± (k - КЛ к - _L
k 201
20 J k H,
Л
k - Kl
ки - „
v h j j
.(8)
a( s ) , ч 1
() -wpc(s)-
aзад ( S )
H
к
S +1
(10)
Рис. 3. Структурная схема управления скоростью вентильного двигателя по каналу U Fig. 3. Block diagram of BLDC motor speed control along the channel U
~T7T
Рис. 4. Упрощенная структурная схема управления скоростью вентильного
двигателя по каналу и
Fig. 4. Simplified block diagram of BLDC motor speed control along the channel U
ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020;24(3):484-497
Таким образом, постоянная времени желаемой замкнутой системы определяет-
Я,
ся как Т0 = —- и, следовательно, время
К
переходного процесса при подаче единич-
ного
скачка
Ю
зад
= km l(t) выражено
Н
3T = 3 — 3Т0 3 , ■ кд
Если предполагается, что в процессе работы системы параметры объекта могут меняться в широком диапазоне, то возможно использовать методы автонастройки ПИД-регулятора. Различные подходы автонастройки, которые могут быть реализованы на практике, достаточно подробно обсуждаются в работе [19]. Возможно также использовать аналитические подходы на этапе проектирования для сохранения ро-бастности системы. Варианты таких методик рассмотрены в работах [20, 21].
Стоит отметить следующий важный момент: ограничение по напряжению и току приводит к ограничению скорости ВД в зависимости от момента двигателя. В установившемся режиме (левые части дифференциальных уравнений системы (1) приравниваются к 0) при полной компенсации (^ = 0) имеем следующие формулы:
Uä =—®Wq
Uq =®Wd 0 + i/q
(11)
Lq =1
iq =Wq ,
При
Mc = Мд =Wd0 = iq ^ C00TBеTCTBеHH0,
Ud = —ЮМс и =ю + Mr
(12)
Учитывая, что г = 0,05 и, соответственно, и -о, можно принять следующие соотношения:
U = VU + Ud
или
Ю
U
д/ТТМ
(13)
Таким образом, при Мс = 0,2 (близкий к холостому ходу режим работы ВД)
о < ^— = 1; при Мс = 0,8 (номинальный
■s/104
момент) о < . = 0,78; при М = 1 (пел/1,64
регрузка по моменту на 25%) о < = 0,7.
42
Время пуска подбирается таким образом, чтобы были соблюдены указанные ниже условия:
Iп < 1,5/я;
Мп < 15 « 1,9. п 0,8
(14)
(15)
Соотношения (14) и (15) будем считать условиями плавного пуска (или плавного перехода на более высокую скорость в общем случае). В определенных случаях данные соотношения могут быть и больше.
Выберем Т = 1 РаД (1° = 314 рад). Соответственно, при н. = 100 имеем кд = 100, кп = 5 , ки = 1. В этом случае период квантования широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и процессора ПЧ будет как минимум на порядок меньше Т и систему
можно рассматривать как аналоговую.
Результаты моделирования, приведенные в работе [7], показывают, что при фиксированных коэффициентах регулятора, в зависимости от момента сопротивления Мс, на валу двигателя можно подобрать скорость изменения уставки ошд,
обеспечивающую плавное изменение скорости ВД при заданных ограничениях по напряжению и и току I.
В этом случае выбранный ПИД-регулятор не требует перенастройки коэффициентов для обеспечения хорошего качества процессов управления в режиме
ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020;24(3):484-497
наброса (или сброса) нагрузки и торможения двигателя. При этом значения напряжения и токов находятся в допустимых пределах, если использовать отключение интегральной составляющей от входа ПИД-регулятора при достижении ею значения 0,75 (ограничение по и ). Заметим, что
данный прием используется также в двух-контурной системе управления скоростью ВД [15].
3. ОДНОКОНТУРНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СКОРОСТЬЮ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВЫШЕ СИНХРОННОЙ
Как указано выше, для использования рассматриваемого привода на скоростях выше синхронной необходимо уменьшить магнитный поток машины.
Для ВД с магнитоэлектрическим возбуждением это возможно только за счет неполной компенсации тока по продольной оси статора. Очевидно, что это должно вытекать из системы (1) для установившихся режимов, но при этом необходимо сохранение ограничения по току и напряжению ПЧ и, соответственно, ограничения по моменту Мд в зависимости от скорости.
Следует отметить, что в работе [4] предлагается также одноконтурная система управления, но к регулятору скорости добавляется позиционный регулятор для коррекции работы ШИМ. При этом для линеаризации объекта управления используется компенсация перекрестных связей по осям ё и я . Этот прием давно известен [11] и главным образом является одним из способов векторного управления, поскольку формально позволяет раздельно регулировать момент и скорость двигателя как в машине постоянного тока. Однако в машине постоянного тока нет таких жестких ограничений по току (точнее - по напряжению), которые есть в ВД из-за наличия ПЧ.
Проиллюстрируем этот факт примером: пусть неполная компенсация выражается следующим образом:
Ud =-(wq a + a),
(16)
где а - постоянное число, которое можно ввести в закон управления в виде коэффициента неполной компенсации.
Предполагая работу двигателя с угловой скоростью вращения ю = 1,5 при Мд = 0,5, имеем следующие соотношения:
Wq = iq (Lq = l) ;
Vd= 1,25id (Ld -1,25);
W о +Wd-1 +1,25 id • Тогда
Ud =-(^а+а);
M Д -Wd Л -Wq ^d -(1 + 1,25 • id )• iq -
-iq-id - iq (1 + 0,25 • id )•
(17)
(18)
(19)
(20)
Из уравнений установившегося режима имеем следующее:
0 = и +юу -; (21)
О = ид-ю у - 1ч-гч . (22)
Причем Мд = М = М. Подстановка (16) и (17) в (21) дает
0 - -(iq -a +a) + ®wq
а
-id'rd ^h -----
a
(23)
0,05
Подставив выражение (23) в формулу (20), имеем следующее:
M -iq -(1 -5-а) или
• _ M lq - 1 -5-а
(24)
d
ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020;24(3):484-497
Тогда
и=—I
M
1 — 5 ■ a
-■ю + а
и =ю(1 — 25a) + 005м.
q v ' 1 — 5 a
(25)
(26)
При M = 0,5 и ю= 1,5 имеем выра-
жение:
ud + ud =
0,75 1 — 5 a
+
1,5 (1 — 25a) + A025
— 5 a
(27)
= 1,
откуда a = 0,03.
При этом
0,03
id =—— = —0,6;
0,05
iq =—^05 0,6 ^fii+q « 0,84 . (28)
Используя вышеприведенные формулы, можно установить, что при а = 0,03
2 + i 2 = 1
d + q 1
и о = 1 ограничение по току ф
приводит к ограничению по моменту двигателя Мд < 0,7 .
Очевидно, что предлагаемый подход может быть преобразован в любую удобную методику, связывающую коэффициент а с заданными диапазонами изменения скорости и момента ВД, с учетом ограничений по току и напряжению ПЧ.
Более подробное исследование по построению статических характеристик ВД переменного тока при реализации стандартной системы подчиненного регулирования приведено в работе [22]. По большому счету в данной работе можно было провести аналогичное (более подробное) исследование по построению статических характеристик, но поскольку предлагаемый метод привязан к определенному технологическому узконаправленному процессу, то
такого рода исследования требуют больше информации по особенностям предполагаемого технологического процесса. К тому же неполная компенсация приводит к увеличению массогабаритных показателей двигателя, ограничению на них, и, соответственно, на коэффициент неполной компенсации, который желательно задать при разработке конкретного ВД для определенного технологического процесса.
Однако данная работа не рассматривает проблему в полной мере в связи с тем, что задача привязана к определенному узконаправленному технологическому процессу.
Предлагаемый метод может быть технически реализован с помощью выше-рассмотренного первого способа управления скоростью ВД с полной компенсацией тока (4) и (5) для вывода ВД на синхронную скорость при моменте холостого хода с дальнейшим изменением коэффициента а от 0 до рассчитанного значения. Далее регулирование скорости при фиксированном М производится путем изменения уставки
по скорости. Темп изменения значения уставки по скорости вращения может устанавливаться путем моделирования на соответствующей динамической модели (рис. 2) с учетом кратковременных перегрузок по току ПЧ. Изменение Мс (в пределах допустимых значений) при фиксированной скорости не требует никаких специальных действий, регулирование скорости производится за счет изменения и? (^), ток (^)
и потокосцепление (^) при этом не изменяются. Таким же образом возможен возврат к первому способу управления.
Пример результатов моделирования представлен на рис. 5.
Пояснения к рис. 5:
1) 0-300 рад - пуск ВД до синхронной скорости при Мс = 0,2 (исходный режим);
2) 500 рад - коэффициент а изменяется скачком от 0 до 0,03;
3) 800-1100 рад - изменение скорости от 1 до 1,5;
2
2
ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020;24(3):484-497
Рис. 5. Возможные режимы работы вентильного двигателя при использовании двухзонного управления его скоростью: 1 - график переходного процесса напряжения U; 2 - график переходного процесса тока I; 3 - график переходного процесса тока по оси q; 4 - график изменения электромагнитного момента ВД; 5 - график изменения оборотов ВД; 6 - график изменения коэффициента альфа; 7 - график переходного процесса тока по оси d; 8 - график изменения момента
сопротивления
Fig. 5. Possible operation modes of BLDC motor when using dual-zone control of its speed: 1 - graph of the transient voltage U; 2 - graph of the transient current I; 3 - graph of the transient current along the axis q; 4 - curve of BLDC motor torque; 5 - curve of BLDC motor RPM; 6 -alpha coefficient curve; 7 - graph of the transient current along the axis d; 8 - resistive torque curve
ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020;24(3):484-497
4) 1200-1500 рад - наброс (сброс) нагрузки (Мс изменяется скачком от 0,2 до
0,5 и обратно);
5) 1600-1900 рад - изменение скорости от 1,5 до 1;
6) 2000-2200 рад - наброс (сброс) нагрузки (Мс изменяется скачком от 0,2 до 0,7 и обратно);
7) 2500 рад - коэффициент а изменяется скачком от 0,03 до 0. (возвращение в исходный режим).
Анализ предлагаемого способа двухзонного регулирования скорости ВД показывает, что:
1. Основным достоинством предлагаемого способа регулирования является относительная простота и, соответственно, методическая наглядность.
2. При регулировании не используется регулятор тока, подчиненный регулятору скорости, что позволяет использовать одноконтурную систему управления и в целом упрощает техническую реализацию предлагаемого способа двухзонного регулирования скорости ВД с магнитоэлектрическим возбуждением.
3. На наш взгляд также важно, что коэффициенты регулятора скорости можно не изменять в процессе эксплуатации ВД, и выбранный регулятор позволяет обеспечить хорошие показатели качества переходных процессов во всех предполагаемых режимах работы привода. Заметим только, что последнее условие может потребовать введения дополнительной связи для отключения интегрирующей части регулятора, когда значение напряжения на выходе ПЧ достигает уровня ограничения. Адекватность используемой в исследованиях модели подтверждается ее апробацией в работе [8], в которой также рассмотрен вопрос синтеза ПИД-регулятора скорости ВД, но он не получил четко сформулированного подхода.
Несмотря на вышеуказанные достоинства, данный способ регулирования имеет некоторые недостатки:
1. Данный вид регулирования применим только в случае, если алгоритм работы привода во времени носит вполне
494
определенный характер, поскольку выполнение ограничений на ток и напряжение ПЧ - результат правильного выбора темпа изменения уставки по скорости и фактически является априорной информацией.
2. В установившихся режимах (при регулировании скорости выше синхронной) невозможно минимизировать ток статора, как в работе [2], или получить максимальный КПД ВД, как в работе [3]. С энергетической точки зрения последние две задачи соответствуют друг другу, но надо заметить, что в любом случае наличие тока (^)
предполагает увеличение массогабаритных показателей двигателя.
3. Предлагаемый вид регулирования может быть реализован применительно к двигателям малой и средней мощности, однако использование алгоритма управления двигателем средней мощности налагает определенные требования по выбору преобразователя частоты [23].
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Особенностью регулирования скорости ВД ниже синхронной, при полной компенсации тока статора по продольной оси, является ограничение скорости в зависимости от момента двигателя. Эта зависимость выводится из уравнений установившегося ВД при учете ограничений на ток и напряжение преобразователя частоты. В предлагаемом способе регулирования скорости ВД используется одноконтурная система управления, позволяющая не выходить за указанные ограничения, а также выбирать необходимый темп изменения уставки по скорости во всех предполагаемых режимах работы привода при заданных кратковременных перегрузках по току преобразователя частоты и моменту ВД. Основной особенностью регулирования скорости ВД выше синхронной (при магнитоэлектрическом возбуждении) является необходимость неполной компенсации тока статора по продольной оси. Предложен метод вычисления коэффициента неполной скорости тока статора, в зависимости от диапазона регулирования скорости ВД вы-
ISSN 1814-3520
ше номинальной при ограничении на ток и напряжение преобразователя частоты, позволяющий определять зависимость максимально допустимого момента ВД от его заданной скорости. Техническая реализация соответствующего алгоритма управления предполагает применение одноконтурной системы управления скоростью ВД ниже синхронной, которая не требует использования методов построения систем подчиненного регулирования. Такой подход отличается относительной простотой, но не позволяет оптимизировать энергетические показатели ВД.
Однако предлагаемый способ может использоваться на практике, если хорошо известен алгоритм работы соответствующего привода во времени и применение его на скоростях выше синхронной предполагается в достаточно редких случаях.
Следует также отметить, что возможен реверс ВД после его полной остановки с сохранением всех показателей качества переходных процессов при работе привода в противоположном направлении. Для этого достаточно изменить в модели знаки всех величин, определяющих момент ВД и его скорость.
Библиографический список
1. Шымчак П. Дисковые синхронные машины с постоянными магнитами: современное состояние и тенденции развития // Электричество. 2009. № 8. С. 37-46.
2. Громышева А.Д., Овчинников И.Е., Егоров А.В. Управление скоростью и моментом вентильного двигателя в приводе транспортного средства // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2011. № 3. С. 47-52.
3. Ильина А.Г., Маматов А.Г. Синтез оптимального наблюдателя состояний для системы управления вентильного электропривода // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2015. № 4. С. 33-38. https://doi.org/10.17588/2072-2672.2015.4.033-038
4. Иванов В.М. Одноконтурный вентильный электропривод с векторной широтно-импульсной модуляцией // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2018. Т. 61. № 2. С. 77-85. http://doi.org/10.17213/0136-3360-2018-2-77-85
5. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока. Иваново: Изд-во ИГ-ЭУ, 2008. 298 с.
6. Воронин С.Г., Курносов Д.А. Регулирование механических координат вентильного электропривода методом векторного управления // Вестник Южно -Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. 2015. Т. 15. № 3. С. 52-58. http://doi.org/10.14529^еМ50307
7. Паньков К.Ю., Беляев М.А., Прилуцкий А.В., По-ташов А.И. Выбор рационального способа управления пуском вентильного двигателя // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 1. С. 129-140. http://doi.org/10.21285/1814-3520-2017-1-129-140
8. Сидельников Б.В. Синхронная машина с магнитоэлектрическим возбуждением в программном комплексе МАКАВ^ИМ^^К // Проблемы создания и эксплуатации новых типов электроэнергетического оборудования: сб. тр. Отдела электроэнергетических проблем Российской академии наук. СПб.: Изд -
во СПбГПУ, 2003. Вып. 5. С. 152-162.
9. А. с. № 283373, СССР, МПК Н02К 29/02. Бесконтактная электрическая машина / Лебедев Н.И., Овчинников И.Е. Заявл. 03.06.1969; опубл. 06.10.1970. Бюл. № 31.
10. Макаров Д.В., Сапсалев А.В., Харитонов С.А. Электромагнитная сила вентильного двигателя с немагнитным якорем // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. 2015. № 4. С. 84-93. http://doi.org/10.17212/1727-2769-2015-4-84-93
11. Вейнгер А.М. Регулируемый синхронный электропривод. М.: Энергоатомиздат, 1985. 224 с.
12. Герман-Галкин С.Г., Кузнецов В.А. Оптимизация энергетических характеристик в электроприводе с вентильным двигателем // Вестник Уральского государственного университета путей сообщения. 2017. № 4. С. 77-84. http://doi.org/10.20291/2079-0392-2017-4-77-84
13. Беляев М.А., Гуков Д.В., Прилуцкий А.В. Выбор способа управления напряжением на зажимах бесколлекторной машины постоянного тока (вентильного двигателя) // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. Серия: Механизация и электрификация. 2016. № 42. С. 319-326.
14. Герман-Галкин С.Г., Гаврилов Р.С., Мустафаев Ю.Н. Структурные и имитационные модели в мо-дельно-ориентированном проектировании вентильного электропривода для опорно-поворотного устройства // Мехатроника, автоматизация, управление. 2017. Т. 18. № 1. С. 56-63. https://doi.org/10.17587/таи.18.56-63
15. Костыгов А.М., Солодкий Е.М., Даденков Д.А. Синтез регуляторов тока и скорости в системе векторного управления вентильным электроприводом // Фундаментальные исследования. 2014. № 11. Ч. 7. С. 1490-1495.
16. Ушков В.А., Лологаев М.Б. Векторное управление вентильным двигателем постоянного тока // Наука России: цели и задачи: сб. тр. по материалам XV Междунар. науч. конф. 2019. С. 81-84. [Элек-
ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020;24(3):484-497
тронный ресурс]. URL: http://ljournal.ru/article/sr-10-06-2019-23.pdf (17.02.2019). http://doi.org/10.18411/sr-10-06-2019-23
17. Шпиганович А.Н., Мамонтов А.Н. О применимости метода динамической компенсации в синтезе инвариантной системы управления с обратной связью // Вести высших учебных заведений Черноземья. Серия: Математическое моделирование. 2011. № 2. С. 56-62.
18. Ким Д.П. Синтез оптимальных по быстродействию непрерывных линейных регуляторов // Автоматика и телемеханика. 2009. № 3. С. 5-14.
19. Александров А.Г., Паленов М.В. Состояние и перспективы развития адаптивных ПИД-регуляторов // Автоматика и телемеханика. 2014. № 2. С. 16-30.
20. Ишматов З.Ш., Федосеев А.А. Анализ робастно-сти типовых систем управления электроприводом // Электротехника. 2014. № 9. С. 29-35.
21. Земцов Н.С., Французова Г.А. Синтез ПИД регулятора для систем управления прямоточным котлом // Мехатроника, автоматизация, управление. 2015. Т. 16. № 9. С. 631-636.
22. Балковой А.Н. Характеристики вентильного двигателя переменного тока // Электротехника. 2015. № 1. С. 53-58.
23. Абрамов Б.И., Дацковский Л.Х., Кузьмин И.К., Шевырев Ю.В. Электропривод вентиляторов шахтных установок // Электротехника. 2017. № 3. С. 67-74.
References
1. Shymchak P. Permanent-magnet disk synchronous machines: Current State and Development Trends. Elektrichestvo. 2009;8:37-46. (In Russ.)
2. Gromysheva AD, Ovchinnikov IE, Egorov AV. Control of Inverter Motor Speed and Torque in a Vehicle Drive Gear. Nauchno-tekhnicheskij vestnik Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo universiteta infor-macionnyh tekhnologij, mekhaniki i optiki = Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. 2011 ;3:47-52. (In Russ.)
3. Ilyina AG, Mamatov AG. Synthesis of Optimal State Estimator for Permanent Magnet Synchronous Motor Drive. Vestnik Ivanovskogo gosudarstvennogo energet-icheskogo universiteta = Vestnik of Ivanovo State Power Engineering University. 2015;4:33-38. (In Russ.)
4. Ivanov VM. Single-Loop Valve Electric Drive with Vector Pulse Width Modulation. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Elektromekhanika = Scientific and Technical Journal Russian Electromechanics. 2018;61 (2):77-85. (In Russ.) http://doi.org/10.17213/0136-3360-2018-2-77-85
5. Vinogradov AB. Vector control of AC Electric Drives. Ivanovo: Ivanovo State Power Engineering University; 2008, 298 p. (In Russ.)
6. Voronin SG, Kurnosov DA. Regulation of Mechanical Coordinates of the Switching Control Synchronous Motor by Method of Vector Control. Vestnik Yuzhno-Ural'skogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: En-ergetika = Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering. 2015;15(3):52-58. (In Russ.)
7. Pankov KYu, Belyaev MA, Prilutsky AV, Potashov AI. Choosing a Rational Method to Control Brushless Motor Starting. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnich-eskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017;21(1 ):129-140. (In Russ.) http://doi.org/10.21285/1814-3520-2017-1-129-140
8. Sidel'nikov BV. A Synchronous Machine with Magne-toelectric Excitation in MATLAB/SIMULINK. In: Prob-lemy sozdaniya i ekspluatacii novyh tipov elektroener-geticheskogo oborudovaniya = Development and Operation Problems of New Types of Electric Power Equipment. Saint-Petersburg: Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University; 2003, issue 5, p. 152-162. (In Russ.)
9. Lebedev NI, Ovchinnikov IE. Noncontact electric ma-
chine. Copyright certificate SSSR, no. 283373; 1969. (In Russ.)
10. Makarov DV, Sapsalev AV, Kharitonov SA. Electromagnetic Force of BLDC with Nonmagnetic Armature. Doklady Akademii nauk vysshej shkoly Rossijskoj Federacii = Proceedings of the Russian Higher School Academy of Science. 2015;4:84-93. (In Russ.) http://doi.org/10.17212/1727-2769-2015-4-84-93
11. Vejnger AM. Controlled Synchronous Electric Drive. Moscow: Energoatomizdat; 1985, 224 p. (In Russ.)
12. Herman-Galkin SG, Kuznetsov VA. Optimization of Power Descriptions in Electromechanic with Valve Engine. Vestnik Ural'skogo gosudarstvennogo universiteta putej soobshcheniya = Herald of the Ural State University of Railway Transport. 2017;4:77-84. (In Russ.) http://doi.org/10.20291/2079-0392-2017-4-77-84
13. Belyaev MA, Gukov DV, Priluckij AV. Selection of a Voltage Control Method on Brushless DC Machine (Inverter Motor) Terminals. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. Seriya: Mekhanizaciya i elektrifikaciya = izvestiya Saint-Petersburg State Agrarian University. Series: Mechanization and Electrification 2016;42:319-326. (In Russ.)
14. Herman-Galkin SG, Gavrilov RS, Mustafaev YuN. Structural and Simulation Models in the Model-oriented Designing of the Electric Valve Actuator for a Rotary Support Device. Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Uprav-lenie. 2017; 18(1):56-63. (In Russ.) https://doi.org/10.17587/mau.18.56-63
15. Kostygov AM, Solodkiy EM, Dadenkov DA. Synthesis of the Current and Speed Regulators in the Vector Control System for Permanent Magnet Synchronous Machine Drive. Fundamental Research. 2014;11-7:1490-1495. (In Russ.)
16. Ushkov VA, Lologaev MB. Vector Control of a DC Brushless Motor. In: Nauka Rossii: Celi i zadachi: sbornik trudov po materialam XV Mezhdunarodnoj nauchnoj konferencii = Science of Russia: Goals and Objectives: Proceedings of XV International Scientific Conference. 2019:81-84. Available from: http://ljournal.ru/article/sr-10-06-2019-23.pdf [Accessed 17th February 2019]. (In Russ.) http ://doi.o rg/10.18411/sr-10-06-2019-23
17. Shpiganovich AN, Mamontov AN. The Applicability
ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020;24(3):484-497
of Dynamic Compensation Method in the Synthesis of Invariant Control Systems with Feedback. Vesti vysshih uchebnyh zavedenij Chernozem'ya. Seriya: Ma-tematicheskoe modelirovanie. 2011;2:56-62. (In Russ.)
18. Kim DP. Design of Speed-Optimal Continuous Linear Controllers. Avtomatika i Telemekhanika = Automation and Remote Control. 2009;3:5-14. (In Russ.)
19. Alexandrov AG, Palenov MV. Adaptive PID Controllers: State of the Art and Development Prospects. Avtomatika i Telemekhanika = Automation and Remote Control. 2014;2:16-30. (In Russ.)
20. Ishmatov ZSh, Fedoseev AA. Robustness Analysis
Критерии авторства
Беляев М.А., Прилуцкий А.В., Таленфельд С.В. заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Беляев Михаил Алексеевич,
кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры корабельных систем управления, Военно-морской политехнический институт им. Н.Г. Кузнецова,
196609, г. Санкт-Петербург, Кадетский б-р, 1, Россия;
Н e-mail: bel.mih@bk.ru
Прилуцкий Александр Владимирович,
главный специалист, ООО «НГ-Энерго»,
192012, г. Санкт-Петербург, пр. Обуховской обороны, 271/А, Россия; e-mail: bobkins@mail.ru
Таленфельд Сергей Валерьевич,
кандидат технических наук, заместитель начальника отдела, ОАО «Авангард»,
195271, г. Санкт-Петербург, Кондратьевский пр., 72, Россия;
e-mail: talik72@mail.ru
of Typical Electric Drive Control Systems. El-ektrotekhnika. 2014;9:29-35. (In Russ.)
21. Zemtsov NS, Frantsuzova GA. Design of PIDController for a Once-Through Boiler. Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie. 2015;16(9):631-636. (In Russ.) https://doi.org/10.17587/mau.16.631-636
22. Balkovoj AN. Characteristics of an AC Inverter Motor. Elektrotekhnika. 2015;1:53-58. (In Russ.)
23. Abramov BI, Dackovskij LH, Kuz'min IK, Shevyrev YuV. Electric Drive for Mine Installation Fans. Elektrotekhnika. 2017;3:67-74. (In Russ.)
Authorship criteria
Belyaev M.A., Prilutsky A.V., Talenfeld S.V. declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
The final manuscript has been read and approved by all the co-authors.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Mikhail A. Belyaev,
Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor,
Associate Professor of the Department
of Ship Control Systems,
N.G. Kuznetsov Naval Polytechnic Institute,
1, Kadetsky Blvd, Saint-Petersburg 196609, Russia;
H e-mail: bel.mih@bk.ru
Alexander V. Prilutsky,
Chief Specialist, LLC "NG-Energo", 271/A, Obukhovskoy Oborony pr., Saint-Petersburg 192012, Russia; e-mail: bobkins@mail.ru
Sergey V. Talenfeld,
Cand. Sci. (Eng.), Deputy Head of Department, JSC "Avangard",
72, Kondratievsky pr., Saint-Petersburg 195271, Russia;
e-mail: talik72@mail.ru
ВЕСТНИК ИРКУТСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020;24(3):484-497
