CC BY
35
УДК 62-523.2
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ С РАЗОМКНУТОЙ ОБМОТКОЙ СТАТОРА И БУФЕРНЫМ КОНДЕНСАТОРОМ
А.С. Лутонин, Я.Э. Шклярский
В статье рассматривается структура системы управления синхронным двигателем с постоянными магнитами в режиме ослабленного поля. Система состоит из синхронного двигателя с разомкнутой обмоткой статора, подключенного к преобразователю частоты с источником постоянного напряжения с одной стороны и к вспомогательному преобразователю частоты с буферным конденсатором с другой стороны. Предложена структура системы управления, разработана имитационная модель в программном пакете MATLAB/Simulink. Получено, что предложенная система управления позволяет увеличить скоростной диапазон электромотора в 2.8 раз
Ключевые слова: синхронный, двигатель, постоянные магниты, СДПМ, разомкнутая обмотка статора, ослабленное поле, двойной преобразователь частоты.
Синхронные двигатели с постоянными магнитами широко распространены в промышленности, так как, в сравнении с остальными типами электродвигателей, они имеют наилучшие массогабаритные показатели [1]. Недостатками такого типа двигателей является сильное падение электромагнитного момента в режимах ослабленного поля и, как следствие, невозможность работы на скоростях выше номинальных. В работах [2-4] были представлены алгоритмы управления СДПМ в режимах ослабленного поля. В исследованиях [5] были проведены сравнительные измерения скорости СДПМ в зависимости от типа подключения концов обмоток статора. Графики отображают увеличение скорости в случае использования СДПМ с подключением второго преобразователя частоты к концам обмоток статора. В [6] была предложена система управления СДПМ РО с пя-типлечевым преобразователем частоты. В работе [7] представлено сравнение различных топологий с использованием СДПМ с разомкнутой обмоткой статора. В публикации [8] представлена система управления СДПМ с разомкнутой обмоткой статора с двумя преобразователями частоты и двумя независимыми источниками напряжения. Работа [9] описывает алгоритм управления СДПМ с разомкнутой обмоткой статора совместно с использованием электролитического конденсатора в составе вспомогательного преобразователя частоты (ВПЧ) и гибридной ШИМ модуляцией. Результаты показали увеличение скорости СДПМ в 2 раза в сравнении с номинальной величиной.
Данная работа представляет систему управления СДПМ с разомкнутой обмоткой статора совместно с источником постоянного напряжения в составе главного преобразователя частоты и конденсаторной батареи в составе вспомогательного преобразователя частоты с системой контроля уровня заряда конденсатора, а также системой регулирования активной и реактивной мощности каждого преобразователя частоты.
Система синхронного двигателя с постоянными магнитами с разомкнутой обмоткой статора. В схемах управления электродвигателем с разомкнутой обмоткой каждая из обмоток статора разомкнута и подключена к одному из двух преобразователей частоты. Один из преобразователей частоты рассматривается как первичный источник энергии и подключён к источнику постоянного напряжения. Вспомогательный преобразователь подключён к буферному конденсатору. Общая схема подключения представлена на рис. 1.
Уваа
Оа1
с
Ул
0„2
<
и,
УВ V, 1
Ус И-'Д
0Ь2 Вс2
ь
и3
\ Уг Ув Оы
/и-ь Ус
Д.2
т
ар
Рис. 1. Топология СДПМ с буферным конденсатором
Так как каждая из обмоток статора СДПМ подключена к двум источникам напряжения, то результирующим значением напряжения для электродвигателя будет разница между потенциалами этих источников (рис. 2).
Рг+Яг
Фаза обмотки СДПМ
иЫ1
в
_тпгх
Урн
Ф
Р-А + ЯЧ
е
иС1
Рис. 2. Схема замещения СДПМ РО В соответствии с рис. 2, можно записать следующие уравнения:
иМ1 = ит + иС1, (1)
иМ1 й - ит й - иС1 й = 0, (2)
иМ1 ч - итч - иС1 ч = 0, (3)
где им - напряжение тяговой батареи; Vа - напряжение буферного конденсатора; ит - напряжение на концах обмотки электродвигателя.
Уравнения для СДПМ относительно вращающейся системы координат ё^, в соответствии с [8, 9] могут быть представлены как:
ит й (t) = иМ1 й (X) - иС1 й (X) = я • (X)+ь,
й1ч (X)
(х)
йХ
-®те (X)• \ • 1Ч (X) , (4)
ит ч ( X )= им1 д ( X )-ис1 ц ( X )= Я • 1д ( X ) + -Юте ( X )• Ь, • 1й ( X ) + ^те ( X) • у , (5)
_
3
Те (г )= - р У + (Ь - ь9 )• I, (г ))• 1ч (г) ,
2 рт \ и д / 1и \1}) \1} , (6)
где ити (г), иш и (г), иС1 и (г) - напряжения на концах обмотки электродвигателя, тяговой батареи и буферного конденсатора относительно оси ё; ит (г), иш ч (г), иС1 ч (г) - напряжения на концах обмотки электродвигателя, тяговой батареи и буферного конденсатора относительно оси д; я - сопротивление статора; ьи - индуктивность относительно оси ё; - индуктивность относительно оси д; а>те (г) - скорость вращения электромагнитного поля ротора; урт - потокосцепление постоянных магнитов электродвигателя; 1й (г) - ток СДПМ относительно оси ё; 1Ч (г) - ток СДПМ относительно оси д; Те (г) - электромагнитный момент СДПМ; р - число полюсов электродвигателя.
Рис. 3. Векторная диаграмма СДПМ РО
На рис. 3 представлена векторная диаграмма напряжений для топологии электропривода СДПМ с разомкнутой обмоткой статора и буферным конденсатором. В соответствии с рисунком, вектор тока электродвигателя 1т опережает его напряжение ит на угол Уь. Согласно рисунку, вектор напряжения иш также опережает вектор тока 1т, что свидетельствует о том, что преобразователь частоты, с подключенной к нему тяговой батареей, является источником как активной, так и реактивной мощности в о время как напряжение и^, будучи перпендикулярным току 1т, способствует передачи только реактивной мощности от преобразователя частоты, с подключенным к нему буферным конденсатором. Таким образом, активная и реактивная мощность, подводимая к электродвигателю от каждого из преобразователей частоты, регулируется посредством изменения угла сдвига фаз напряжений иш и ис1 относительно вектора тока
409
статора. При этом, существует возможность регулирования амплитуд и углов каждого из вектора напряжений при сохранении вектора напряжения ит в фиксированном положении.
Таким образом, увеличение угла 0ь способствует уменьшению амплитуды вектора напряжения иш. С другой стороны, также существует возможность увеличения результирующего вектора ит если главный преобразователь использовать как активно-реактивный источник энергии с заданием максимально возможной амплитуды вектора иш
Таким образом, амплитуда векторов и^, иш1 могут быть найдены в соответствии с уравнениями:
иШ = Um уъ )ео8(Ьь ) - Um (вш(уЬ) - и^г МПЬь Ь (7)
и^П = ит ^ЧУЬ ) ^(Рь ) + ит Му ) - и геасг )СОБ(РЬ ) , (8)
ии1 = и^р сов(Рь) + игеаег в1п(¥ь ), (9)
иЧС1 = иеар 81П(Рь ) - игеаег СОВ(^Ь ), (10)
где иШ,иМ - управляющее задание напряжений для преобразователя частоты с подключенной тяговой батареей; ит - результирующий вектор
напряжения; иС ,иС - управляющее задание напряжений для преобразователя частоты с буферным конденсатором; иеар - уровень напряжения
буферного конденсатора; иС^р - заданное значение уровня напряжения
конденсатора, которое формируется как отношение выходного сигнала ПИ регулятора, входом которого является разница заданного и текущего уровня напряжения.
Амплитуда реактивной составляющей управляющего вектора напряжения игеасг, которую может компенсировать вспомогательный преобразователь частоты, находится в соответствии с уравнениями (11) -(12):
игеаег = №т *1П(¥ь ) е^и ит *1П(¥ь )<иеар / 'V3 , (11)
игеас< = кисар ^л/3 если ит 81п(Уь) >исар / Тэ, (12)
где кии - коэффициент, фиксирующий положение вектора ит относительно вектора тока 1т который равен " 1" при значениях угла Уь - 0 и " -1" при значениях угла Уь < 0.
Имитационное моделирование. Имитационное моделирование проводилось при помощи программного пакета МЛТЬЛВ/81ши11пк. Общий вид модели представлен на рис. 4.
Система состоит из следующих блоков: Модель мотора СДПМ с разомкнутой обмоткой статора «ОШ РМ8М», модель преобразователей частоты с подключенными к ним аккумуляторной батареей и буферным кон-
410
денсатором, блок алгоритма управления «Control», а также блок формирования задания по скорости «Input2». Более подробно блок «Control» представлен на рис. 5.
Рис. 4. Общий вид модели СДПМРО е программном пакете
MATLAB/Simulink
Task Scheduler
Рис. 5. Общий вид блока «Control.»
Работа блока «Control» проходит по следующему алгоритму: Сигнал задания скорости «RPMReq» вместе с текущим значением скорости «we» и значением текущего уровня напряжения звена постоянного тока «Vdc» поступает на блок «Outer loop control», который состоит из ПИ регулятора скорости и блока формирования токов . Далее управляющие значения тока, совместно с текущим значением скорости «we», значениями токов статора «iabc», угла поворота ротора «we», а также значения напряжения звена постоянного тока «Vdc», поступают в блок формирования значений напряжения «Current control», который состоит из
411
двух ПИ регуляторов для каждого из значений токов по осям d и q, а также блока ограничения выходного напряжения. Сформированное значение управляющего напряжения поступает в блок «Voltage split», который подробно представлен на рис. 6.
U_mt, U_ci to gates
Рис. 6. Общий вид блока «Voltage split»
В подсистеме «Voltage split» основными блоками являются «Us to U_mi, U_ci» и «Us to U_mi, U_ci». Первый блок формирует значения управляющих векторов напряжения для двух преобразователей частоты на основе уравнений (7 - 12). Второй, на основе заданных векторов напряжений, генерирует импульсы в соответствии с законами векторной широтно-импульсной модуляции.
Параметры мотора, используемые для симуляции, представлены в таблице.
Основные параметры СДПМ
Тип электромотора СДПМ
Номинальное напряжение 370В
Номинальный ток 108 А
Номинальная скорость 2500 об/мин
Число пар полюсов 10
Индуктивность по оси д 1.2 мГн
Индуктивность по оси ё 1 мГн
Потокосцепление 0.0973 Вб
Сопротивление обмотки 0.016 Ом
Момент инерции 0.1234 кг- м2
Моделирование проводилось со следующими параметрами: Система с СДПМ и векторным управлением получала питание от источника постоянного напряжения номиналом 370В.
Значение задания напряжения для буферного конденсатора составляло 210В. В момент времени 0.1с производился наброс нагрузки на вал ротора номиналом 45 Нм. Результаты реакции модели на задание по скорости представлены на рис. 7, 8.
Velocity Command and Response
Torque Load
150
T
Z100
Ш
50
jS
&100
0 0.5 1 1-5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
Time (sees)
Рис. 7. Результаты моделирования
Заключение. Работа системы управления синхронным двигателем с постоянными магнитами с разомкнутой обмоткой статора имеет следующую последовательность: после заряда конденсаторной батареи, преобразователь частоты с подключённой аккумуляторной батареей работает в режиме генерации только активной составляющей вектора напряжения в то время как преобразователь частоты с подключенной конденсаторной батареей генерирует формирует реактивную его часть.
Задание по скорости было намеренно завышено для определения максимально возможной скорости, которую может достичь мотор. Предложенная система управления достигла значения результирующей скорости в 7000 об/мин, что в 2.8 раза выше по сравнению с номинальными параметрами электромотора. Дальнейшее повышение скорости ограничено нагрузкой на валу ротора в 45 Нм которая является максимально достижимым значением для мотора на скорости в 7000 об/мин. В процессе модуляции значение уровня напряжения конденсатора остается равным установленному значению. Дальнейшие исследования предполагают рассмотрение реакции предложенной системы в составе тяговой установки электромобиля в режимах разгона, динамического торможения.
Список литературы
1. Finken T., Felden M., Hameyer K. 2008 Comparison and design of different electrical machine types regarding their applicability in hybrid electrical vehicles // Proceedings of the 2008 international conference on electrical machines. 2008. P. 1-5.
2. Tursini M., Chiricozzi E., Petrella R. Feedforward flux-weakening control of surface-mounted permanent-magnet synchronous motors accounting for resistive voltage drop // IEEE Trans. Ind. Electron. 2010. 57. P. 440448.
3. Kwon T.S., Sul S.K. Novel antiwindup of a current regulator of a surface-mounted permanent-magnet motor for flux-weakening control // IEEE Trans. Ind. Appl. 2006. 42. P. 1293-1300.
4. Tripathi A., Khambadkone A.M., Panda S.K. Dynamic control of torque in overmodulation and in the field weakening region // IEEE Trans. Power Electron 2006. 21. P. 1091-1098.
5. Chu L. Research on Control Strategies of an Open-End Winding Permanent Magnet Synchronous Driving Motor (OW-PMSM)-Equipped Dual Inverter with a Switchable Winding Mode for Electric Vehicles // Energies. 2017. 10. 5 p.
6. Dai S., Wei J., Zhou B., Xue J. The Control Strategy of Open-Winding Permanent Magnet Synchronous Motor Drive System Based on Five-Leg Inverter // IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC). 2016. P. 1-5.
7. Loncarski J., Leijon M., Srndovic M., Rossi C., Grandi G. Comparison of output current ripple in single and dual three-phase inverters for electric vehicle motor drives // Energies. 2015. 8. P. 3832-3848.
8. Casadei D., Grandi G., Lega A., Rossi C. Multilevel Operation and Input Power Balancing for a Dual Two-Level Inverter with Insulated DC Sources // In IEEE Transactions on Industry Applications. 2008. 44. P. 18151824.
9. Lee Y., Ha J. Hybrid Modulation of Dual Inverter for Open-End Permanent Magnet Synchronous Motor // In IEEE Transactions on Power Electronics. 2015. 30. P. 3286-3299.
Лутонин Александр Сегреевич, аспирант, lutonin93@,mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Горный университет,
Шклярский Ярослав Элиевич, д-р техн. наук, доцент, ¡s-l0amail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Горный университет
PERMANENT MAGNET MOTOR CONTROL SYSTEM WITH OPEN-END WINDING
AND FLOATING BRIDGE CAPACITOR
A.S. Lutonin, Ya.E. Shklyarskiy
Paper represents control system design for permanent magnet synchronous motor to work in field weakening mode. The topology consists of two inverters: Main bridge inverter which is powered by DC battery at one side of motor windings and Floating bridge inverter with a capacitor connected to the other side of motor windings. The structure of the control system is proposed, The simulation model is developed in MATLAB/Simulink software package. Obtained results shows that proposed control system helps to reach 2.8 times more maximum speed than a conventional one.
Key words: PMSM, permanent, magnet, synchronous, motor, Open-end winding, OEW, dual inverter drive, field weakening.
Lutonin Aleksandr Sergeevich, postgraduate, lutonin93@mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
Shklyarskiy Yaroslav Elievich, doctor of technical sciences, docent, js-10@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University
УДК 621.355.29
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ СВИНЦОВО-КИСЛОТНОГО АККУМУЛЯТОРА
А.А. Постников
Приводятся описание эксперимента и результаты измерений внутреннего сопротивления стартерных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей на переменном токе. Выполненные измерения позволили построить зависимости внутреннего сопротивления аккумуляторных батарей от степени заряженности и температуры электролита.
Ключевые слова: емкость, техническое состояние, степень заряженности, внутреннее сопротивление.
В настоящее время аккумуляторные батареи используются в различных отраслях промышленности, однако, независимо от области применения аккумуляторных батарей (АБ), своевременная информация об их техническом состоянии крайне важна для эксплуатирующего персонала. Наибольшей достоверностью обладает метод оценки технического состояния АБ по величине фактической емкости, но этому методу присущи такие недостатки, как большая длительность, высокие стоимость и трудоемкость. По мнению широкого круга исследователей, наиболее перспективен метод оценки технического состояния АБ по внутреннему сопротивлению [1]. Помимо оценки технического состояния АБ и её правильной эксплуатации в реальных условиях, внутреннее сопротивление применяется и в математическом или имитационном моделировании работы АБ [2]. Различают методы измерения гвн, Ом, на переменном и постоянном токах. Методики измерения гвн подробно описаны в ГОСТ Р МЭК 60285-2002 [3], ГОСТ Р МЭК 61960-2007 [4].
Наиболее распространенными являются свинцово-кислотные АБ. Они применяются на транспорте, в системах бесперебойного электропитания телекоммуникационного оборудования, в качестве накопителей электроэнергии и др. Внутреннее сопротивление свинцово-кислотных батарей измеряется лишь на постоянном токе ГОСТ Р МЭК 60896-21-2013 [5], ГОСТ Р МЭК 60896-11-2015 [6]. Из ГОСТ Р 53165-2008 [7] следует, что измерение внутреннего сопротивления стартерных свинцово-кислотных АБ вовсе не предусмотрено. Тем не менее, исследователями продолжаются работы по совершенствованию методов измерения внутреннего сопротивления и оценки технического состояния свинцово-кислотных АБ, в том числе и при различных температурах окружающей среды [8].
415
