CC BY
96
УДК 621.313.333
УПРАВЛЕНИЕ ВЕКТОРОМ ТОКА ТЯГОВОГО ВЕНТИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ГИБРИДНОГО
АВТОМОБИЛЯ
С.А. Сериков, доцент, к.т.н., ХНАДУ
Аннотация. Исследованы характеристики тягового вентильного двигателя в допустимых тягово-скоростных режимов, характерных для силовой установки гибридного автомобиля, при оптимальном управлении вектором тока статора. В качестве критерия оптимальности выбран максимум электромагнитного момента, приходящегося на единицу тока потребления.
Ключевые слова: вентильный двигатель, оптимальное управление, силовая установка гибридного автомобиля.
УПРАВЛІННЯ ВЕКТОРОМ СТРУМУ ТЯГОВОГО ВЕНТИЛЬНОГО ЕЛЕКТРОДВИГУНА СИЛОВОЇ УСТАНОВКИ ГІБРИДНОГО
АВТОМОБІЛЯ
С.А. Сєріков, доцент, к.т.н., ХНАДУ
Анотація. Досліджені характеристики тягового вентильного двигуна в допустимих тягово-швидкісних режимах, характерних для силової установки гібридного автомобіля, при оптимальному управлінні вектором струму статора. Як критерій оптимальності вибраний максимум електромагнітного моменту, що припадає на одиницю струму споживання.
Ключові слова: вентильний двигун, оптимальне управлення, силова установка гібридного автомобіля.
CURRENT VECTORCONTROL OF PERMANENT-MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR OF HYBRID VEHICLE ENGINE
S. Serikov, associate professor, cand. eng. sc., KhNAHU
Abstract. Characteristics of traction permanent-magnet synchronous motor under current vector optimum control in the possible traction-speed mode area which are relevant for hybrid vehicle engine have been investigated. As a criterion of optimality a maximum of electromagnetic moment per unit of current have been taken
Key words: synchronous motor, optimal control, power unit hybrid vehicle.
Введение
Наиболее перспективным направлением решения задачи повышения экологической чистоты и экономичности транспортных средств (ТС) является применение гибридных силовых установок (ГСУ), которые включают, помимо основного двигателя
внутреннего сгорания, вспомогательный двигатель и контур рекуперации энергии.
При этом в качестве вспомогательного двигателя в ГСУ часто применяют вентильный двигатель (ВД). ВД представляет собой систему регулируемого электропривода, состоящую из электродвигателя переменного тока, конструктивно подобного синхронной
машине, вентильного преобразователя (ВП) и устройства управления, обеспечивающего коммутацию цепей обмоток статора в зависимости от углового положения ротора. В качестве тягового электропривода применяются ВД на основе синхронного двигателя с возбуждением от расположенных на роторе постоянных магнитов. Использование ВД имеет ряд конструктивных и технико-эксплуатационных преимуществ: бесконтактность и отсутствие узлов, требующих обслуживания; большая перегрузочная способность по моменту; наивысшие энергетические показатели из-за отсутствия потерь на возбуждение; простота системы охлаждения из-за отсутствия на роторе нагреваемых током нагрузки обмоток; большой срок службы, надежность; лучшие массогабаритные и стоимостные показатели по сравнению с ДПТ.
При проектировании новых гибридных ТС возникает сложная проблема научного обоснования базовых параметров и характеристик ГСУ. Для решения данной проблемы используются методики, основанные на проведении вычислительных экспериментов с соответствующими математическими моделями. Однако проведение сравнительного анализа различных конструктивных решений не представляется возможным без оптимизации алгоритмов управления как ГСУ в целом, так и составляющих ее отдельных агрегатов. Данная работа посвящена исследованию закона управления ВД в составе ГСУ, обеспечивающего минимальный ток потребления при заданной нагрузке.
Анализ публикаций
Вопросы, связанные с идентификацией математических моделей ГСУ, её управляющих и возмущающих воздействий, а также синтезом системы управления ГСУ рассмотрены в [1-4]. Однако в данных работах в качестве объекта управления рассматривается ГСУ в целом. Системы управления ДВС, вспомогательного двигателя и элементов контура рекуперации считаются неотъемлемыми частями соответствующих агрегатов, обеспечивающие оптимальное управление на всех режимах работы.
При использовании ВД в качестве вспомогательного двигателя ГСУ возникает задача управления вектором тока статора. Синтезу математической модели ВД и закона управления током статора посвящены работы [5-7]. Однако задача сравнительного анализа раз-
личных конструктивных решений ГСУ, включающей ВД, на основании вычислительного эксперимента порождает ряд особенностей при синтезе управляющих воздействий. Вопросы технической реализации законов управления оказываются несущественными. В то же время оптимальность управления вектором тока на всех задаваемых тяговоскоростных режимах при заданных ограничениях и критериях качества приобретает особое значение. При этом уровень сложности законов управления должен обеспечивать возможность моделирования ГСУ в стандартном ездовом цикле движения.
Цель и постановка задачи
Рассмотрим систему координат (d, q), связанную с ротором ВД и неподвижную относительно его. Будем считать, что ось d совмещена с осью магнитного потока ротора. В данной системе координат уравнения для электромагнитных процессов ВД в скалярной форме можно записать в виде
п d V d
ud = R1 • id - pp •“•V q ;
V d = L1d • id +v mag;
<
D d V q
uq =R •lq +~dT+pp •“•Vd;
.V q = L1q • iq .
где ud, uq, id, iq, yd, yq - проекции векторов напряжения тока статора и потокосцепления на оси вращающейся системы координат; L1 d и L1 q - полные индуктивности обмоток статора по продольной и поперечной осям; R1 - активное сопротивление фазных обмоток; ymag - вектор потокосцепления статора относительно магнитного потока ротора; pp - число пар полюсов; ю - угловая скорость вращения ротора.
Мощность, потребляемая ВД от сети и представляющая собой сумму мгновенных мощностей фаз статора, определяется выражением
В этом выражении можно выделить три слагаемых:
PcU = 3 • R1 •І І2 + iq2);
2
id = arg min П]ІIm ,MVD ))
id є[-Imax’0]
iq =
min
*d e[— Imax,o]
І Im {id , Mvd ))] — І
мощность активных потерь в меди статора
P = — Pmg 2
• i +dlqL • i л d ^ Jq
- составляющая мощности, характеризующая приращение электромагнитной энергии, запасаемой в обмотках статора
РЕМ = 2 • ^р -Уд • );
Целью данной работы является исследование характеристик тягового ВД в области допустимых тягово-скоростных режимов, характерных для ГСУ, при оптимальном соотношении токов и В качестве критерия оптимальности выбран максимум электромагнитного момента Мул, приходящегося на единицу тока потребления 1т. На границах области допустимых управлений перераспределение токов 1д и осуществляется таким образом,
что бы электромагнитный момент ВД был максимально близок к заданному.
- электромагнитная мощность.
Момент вращения ВД можно выразить через электромагнитную мощность и угловую скорость вращения ротора
MVD = — = 3 ^ pp ^Vd ^ iq — V q • id ) =
У
3
2 'Pp
2
pp ^V mag + id •І L1d — L1q ))• iq .
При L1d = L\q электромагнитный момент двигателя однозначно определяется составляющей тока Следовательно, наиболее экономичным режимом работы ВД является такой, при котором обеспечивается равенство нулю тока что соответствует наименьшему значению тока, потребляемого при данной нагрузке. Если ВД имеет явно выраженные полюса, индуктивности обмотки статора по продольной и поперечной осям различны. В этом случае момент вращения ВД зависит от обеих составляющих тока, а модуль вектора тока статора (полный ток потребления ВД) определяется выражением:
Работа вентильного двигателя в установившемся режиме
При работе ВД в двигательном установившемся режиме (diJdt = 0; = 0; Мул е [0, МуОтах])
можно записать
ud = R1 • id — pp •“• L1q • iq ;
uq = R1 • iq + pp • “ • L1d • id + pp • “ • Vmag ; MVD = 2 • pp • ІV mag + id •І L1d — L1q )) • iq .
Будем считать, что область допустимых режимов работы ВД ограничена соотношениями
Фd +11 - Im
: ; Vu^+u2 - U"
где 1тах - максимально допустимый ток фазы, обусловленный особенностями ВП или тепловыми ограничениями; итах - максимально
допустимое напряжение фазы итах = и^/л/з ; иЕс - постоянное напряжение тяговой бортовой сети.
Im =\fid + ^ =
il +
2 • M,
VD
3 • p
p J
І V mag + id •І L1d — L1q ))
Значения составляющих iq и id, обеспечивающие минимальный ток потребления ВД при заданной нагрузке, могут быть получены из условия (MVD = const)
Из статической модели ВД для области допустимых режимов работы можно получить следующее уравнение электрического равновесия
ит = (К1 • - Рр •“• ^ • iq )2 +
+0^1 • ^7 + Р •«• ^ Р •« • ^тае )2,
где ит = - модуль вектора фазного
напряжения ВД. Решив данное уравнение
2
1
относительно г(, можно определить соотношение, связывающее продольную и поперечную составляющие токов при заданных ит и ю
—b +л/ b2 — 4^ a^ c
2^ a
где
a = Rl2 +(“e•Lld) ;
b = 2 “e •jffle •L1d • Vmag + І L1d — L1q )• R1 Л ) ;
І R12 +І“е • L1q ) )• ^ + 2 R1 •“e • Vmag • iq +
+ І“е ^Vmag ) — Um,
где юе - скорость вращения электрического поля статора: юе = pp ■ ю.
Для ВД тягового электропривода, имеющего параметры, представленные в табл. 1, соотношение продольной и поперечной составляющих тока статора при Um = const и ю = const иллюстрирует рис. 1.
Т аблица 1 Параметры вентильного двигателя
tymag L1q Lld Rl pp Imax
мВб мГн мГн мОм - А
104 0,56 0,23 7,9 2 226,3
Из рисунка видно, что кривые iq = смещаются влево при увеличении скорости вращения ротора ю и вправо при увеличении напряжения ит. Кроме того, можно отметить, что при оптимальном соотношении продольной и поперечной составляющих тока статора и ограниченном напряжении питания ВД невозможно достичь достаточно высоких скоростей вращения ротора. Действительно, при высоких скоростях юе ЭДС вращения Е = юеутая достигает величины, близкой к максимально возможному напряжению статора итах, что приводит к ограничению тока
iq =-
uq —
“e ^Ad ^d +Vmag )
R
Поскольку непосредственное регулирование потока ротора в ВД на основе СДПМ невозможно, для расширения диапазона рабочих скоростей и улучшения динамических свойств двигателя применяют режим «ослабления поля», который заключается в увеличении на высоких скоростях отрицательной составляющей вектора тока по оси d.
На основе приведенных ранее уравнений для электромагнитных процессов статического режима ВД может быть построена векторная диаграмма (рис. 2).
, А
Рис. 1. Область допустимых рабочих режимов ВД: 1 - ит = 130 В, ю = 840 рад/с; 2 -ит = 190 В, ю = 995 рад/с; 3 - ит = 190 В, ю = 840 рад/с; 4 - ит = 220 В, ю = 840 рад/с; 5 - ит = 190 В, ю = 630 рад/с; 6 - зависимость iq = т0'(), при которой обеспечивается максимум момента вращения, приходящегося на единицу тока потребления
Рис. 2. Векторная диаграмма ВД
Из данной диаграммы видно, что наличие слагаемого юeL1did при отрицательном значении тока id приводит к уменьшению напряжения ит при том же значении ЭДС вращения. Очевидно, что применение такого способа регулирования приводит к увеличению суммарного тока статора 1т при заданном значении момента нагрузки. Однако, вместе с этим, применение режима ослабления поля позволяет значительно улучшить динамические качества ВД.
id =
Пусть Рм є[ 0,1] - сигнал управления электромагнитным моментом ВД
e _ MVDzd
_ м ,
MVD max
где MVDzd - задаваемый электромагнитный момент; MVDmax - максимальный момент вращения ВД.
Статические характеристики ВД при различных значениях рм, соответствующие оптимальному соотношению продольной и поперечной составляющих тока статора, приведены на рис. 3. При построении данных характеристик были приняты следующие ограничения области допустимых режимов:
Imax = 226,3 А; Umax = 190 В; MVDmax = 80 Нм.
В тех зонах области допустимых режимов работы, где невозможно поддерживать оптимальное соотношение продольной и поперечной составляющих токов, осуществлялось их перераспределение таким образом, чтобы общий ток потребления не превышал 1тах, а электромагнитный момент вращения был максимально близок к заданному.
Работа вентильного двигателя в режиме торможения
Для осуществления режима торможения (Мут, є [-Му0тзх, 0]) алгоритм управления ВП должен быть изменен таким образом, чтобы результирующий вектор намагничивающей силы статора отставал от вектора магнитного потока ротора. Векторная диаграмма ВД в этом случае примет вид, приведенный на рис. 4.
P. ,
P
EM
кВт
1047
1571
“а/П
524
““а/П
0
0
Рис. 3. Статические характеристики ВД с расширенным диапазоном скоростей ротора за счет применения режима ослабления поля
Рис. 4. Векторная диаграмма ВД в режиме торможения
Соотношение продольной и поперечной составляющих тока, которое обеспечивает максимальный момент сопротивления вращению ротора, приходящийся на единицу тока нагрузки, может быть получено из выражения
для полного тока статора при условии dlm/did = 0 и отрицательных значениях Мут.
Если допустить, что в режиме торможения сигнал управления электромагнитным моментом ВД принимает отрицательные значения: рМ є [-1, 0], можно получить статические характеристики режима торможения (рис. 5) при расширенном диапазоне допустимых скоростей вращения ротора за счет использования ослабления поля.
В тех зонах области допустимых режимов работы, где невозможно поддерживать оптимальное соотношение продольной и поперечной составляющих токов, осуществляется их перераспределение таким образом, чтобы общий ток, отдаваемый в нагрузку, не превышал 1тах, а электромагнитный момент сопротивления был максимально близок к заданному.
-100 "
-150 -
-200
1571
оаа/п
й
Ь’ І
й д
А
0
п
Рис. 5. Статические характеристики ВД в режиме торможения с расширенным диапазоном скоростей ротора за счет применения ослабления поля
Приведенные на рис. 5 зависимости для механической мощности были получены согласно выражению:
Pmch _ MVD • “ :
а зависимости для мощности, отдаваемой в нагрузку, согласно выражению:
2
J • І j + u •І
d d q q
)■
Наблюдаемый резкий рост продольной составляющей тока статора id при высоких скоростях вращения ротора, в том числе и при Рт = 0, обусловлен необходимостью компенсации ЭДС вращения для обеспечения выполнения условия ит
Um _'\[Ud + Uq
2
Выводы
Получены зависимости составляющих вектора тока статора от тягово-скоростного режима ВД, обеспечивающие максимум электромагнитного момента Мут, приходящегося на единицу тока 1т.
Исследованы особенности работы тягового ВД в области допустимых режимов работы, в том числе и в зоне использования режима «ослабления поля».
Полученные зависимости могут быть использованы при моделировании системы управления ВД в составе ГСУ.
Литература
1. Бажинов О.В., Смирнов О.П., Сєріков С.А., Гнатов А.В., Колєсніков А.В. Гібридні автомобілі. - Харків: ХНАДУ, 2008. -327 с.
2. Сериков С.А. Постановка задачи опти-
мального управления гибридной силовой установкой // Вестник ХНАДУ: Сб. научн. тр. - Харьков: ХНАДУ. - 2008. -Вып. 43. - С. 95-100.
3. Сериков С.А. Синтез оптимального управ-
ления гибридной силовой установкой // Проблемы управления и информатики. -2009. - №2. - С. 37-47.
4. Сериков С.А., Бороденко Ю.Н. Силовая
установка гибридного автомобиля как объект управления // Вісник Донецького інституту автомобільного транспорту. Науковий журнал. - Донецьк: ПП «Мол-нія», 2009. - №3. - С. 45-50.
5. Гусевский Ю.И., Демченко Ф.О., Загарий Г.И.,
Семчук Р.В., Дука А.К., Гусев И. Управление синхронными двигателями с постоянными магнитами в области скоростей выше номинальной // Інформаційно-керуючі системи не залізничному транспорті. - 2006. - №4. - С. 74-79.
6. Дука А.К., Чернышев В.М., Демченко Ф.О.,
Загарий Г.И., Семчук Р.В. Моделирование тягового частотно управляемого электропривода на базе синхронных двигателей с постоянными магнитами // Інформаційно-керуючі системи не залізничному транспорті. - 2006. - №5-6. -С.80-86.
7. Oskar Wallmark. On control of permanent-
magnet synchronous motors in hybrid-electric vehicle applications. Technical reports at the school of electrical engineering. Department of electric power engineering. Chalmers university of technology. Sweden. - 2004. - 115 p.
Рецензент: О.П. Алексеев, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 13 августа 2009 г.
