автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка системы управления для электротрансмиссии с тяговыми вентильно-индукторными двигателями

На правах рукописи

ДАШКЕВИЧ МАКСИМ МИХАЙЛОВИЧ

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОТРАНСМИССИИ С ТЯГОВЫМИ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Специальность 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы

0\ Г-

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005541131

Москва 2013

005541131

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированного электропривода» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Национального исследовательского университета "МЭИ".

доктор технических наук, профессор Козаченко Владимир Филиппович

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Электротехники и промышленной электроники Московского государственного технического университета им. Баумана Красовский Александр Борисович

кандидат технических наук, начальник центра надежности и режимов работы энергетических сетей ОАО НТЦ ФСК ЕЭС

Дроздов Андрей Владимирович

Ведущая организация:

ОАО «Научно-производственная корпорация «Космические системы мониторинга, информационно-управляющие и электромеханические комплексы» имени А.Г. Иосифьяна».

Защита диссертации состоится 22 ноября 2013 года в 16 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 13, корп. М.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "НИУ МЭИ".

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим отправлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д.14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»

Автореферат разослан «-/£» йНтд[рА_2013г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02 к.т.н., доцент

Цырук С.А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Работа направлена на создание цифровой распределенной системы управления электротрансмиссии с тяговыми вентильно-индукторными приводами для пневмоколесных машин. Область применения такой электротрансмиссии может быть различной, начиная от грузовиков, троллейбусов и заканчивая многоколесными специализированными тягачами, вездеходами. Под электротрансмиссией в данной работе понимается также и гибридная трансмиссия последовательного типа, где двигатель внутреннего сгорания (ДВС) приводит во вращение генератор, а далее передача энергии к колесам выполняется электрическим путем.

; Для тягового применения в настоящее время используются различные двигатели переменного тока вместе с соответствующими силовыми преобразователями. Классические двигатели постоянного тока также все еще имеют свою нишу, но уже большей частью по историческим причинам, а не из-за технической целесообразности. Сравнивая различные электродвигатели переменного тока с точки зрения применения в электротяге, можно выделить следующие преимущества и недостатки каждого из типов двигателей:

Асинхронный двигатель. Относительно прост, надежен, дешев, очень хорошо исследован и освоен в производстве. Имеет проблемы с отводом тепла от ротора, обладает не лучшими массогабаритными показателями.

Синхронный двигатель с постоянными магнитами имеет лучшие массога-баритные показатели, КПД. Хорошо исследован. Дорог и сложен в производстве, существует проблема надежного крепления магнитов при больших частотах вращения. Малая зона постоянства мощности, существует риск перенапряжений при отключении преобразователя в зоне искусственного ослабления поля.

Вентильно-индукторный двигатель с самовозбуждением (Б1Ш). Самый простой, дешевый и технологичный в изготовлении, хорошие массогабаритные показатели, хорошо изучен, имеет большую зону постоянства мощности. Так как имеет однополярное питание, требует специализированного силового преобразователя. Имеет заметные пульсации момента и вибрацию, с которыми разработчики борются различными методами.

Вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением (ВИД НВ). Дешев, имеет хорошие массогабаритные показатели, имеет большую зону постоянства мощности, малые пульсации момента. Относительно сложен в сборке (при использовании так называемой «опущенной» обмотки возбуждения). Не найдено примеров применения в качестве тягового электропривода.

Из данных сравнительных характеристик видно, что ВИД НВ интересен для применения в качестве недорогого тягового электропривода. Большая зона постоянства мощности за счет наличия независимого возбуждения, отсутствие пульсаций момента при векторном управлении и распределенной обмотке якоря делают его особенно привлекательным для электротяги. Исследование этого типа двигателя, создание системы управления для него, построение на основе данного привода электротрансмиссии является актуальной задачей, решаемой в диссертации.

Диссертационная работа выполнялась в рамках НИР по созданию нового тягового электропривода на базе ВИД HB для гибридной электротрансмиссии многоколесных транспортных средств. НИР объединил усилия большого количества научных групп, предприятий. Проектирование тяговых двигателей и генератора выполнялось научной группой Русакова A.M. (кафедра «Электротехнические комплексы автономных объектов» НИУ «МЭИ»); проектирование и производство микропроцессорных систем управления, разработка алгоритмов управления двигателями и электротрансмиссией в целом - научной группой Козаченко В.Ф. (каф. АЭП НИУ «МЭИ», ООО "НПФ Вектор", г. Москва) с непосредственным участием автора диссертации; проектирование и производство силовых тяговых преобразователей - научной группой Остриро-ва В.Н. (кафедра АЭП НИУ «МЭИ», ООО "НПП Цикл+", г.Москва); изготовление опытных образцов двигателей, стенда для их испытания - ОАО «Сарапульский электрогенераторный завод», г. Сарапул; тягового генератора -Тушинский машиностроительный завод, г. Москва; изготовление бортовой системы управления (БИУС) - ООО «Технопрактика», г. Москва; изготовление макетного образца гибридного транспортного средства - ООО «ВИЦ» г. Нижний Новгород; испытания проводились на полигоне Научно-исследовательского и испытательного центра бронетанковой техники (НИИЦ БТ), г. Кубинка.

Цель диссертационной работы состоит в синтезе алгоритмов управления вентильно-индукторным двигателем с независимым возбуждением для тягового применения, алгоритмов обеспечения согласованной работы тягового привода и других устройств электротрансмиссии, проверки всех разработанных алгоритмов моделированием и экспериментально.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

• Сравнения ВИД HB с другими типами двигателей для определения его преимуществ и недостатков, области применения.

• Разработки оптимальной структуры управления ВИД HB применительно к задачам электротяги.

• Исследования на компьютерной модели разработанной структуры управления.

• Разработки и отладки программного обеспечения для системы управления электродвигателем для встраиваемого микроконтроллера тягового преобразователя.

• Разработки специализированного программного обеспечения для персонального компьютера, обеспечивающего мониторинг динамических процессов в тяговых электроприводах и трансмиссии в целом, позволяющего проводить параметрирование и настройку преобразователей

• Проведения испытаний образцов вентильно-индукторных электродвигателей, обработки результатов испытаний.

• Проведения испытаний электротрансмиссии на основе ВИД HB на макете транспортного средства.

• Доработки программного обеспечения, модели двигателя и системы управления по результатам испытаний.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались:

- теория электропривода и цифровых систем управления;

- методы численного моделирования (5ши1шк МАТЬАВ) с элементами программирования на языке высокого уровня Си;

- компьютерные методы экспериментальных исследований опытных образцов ВИД ИВ с использованием датчиков физических величин;

- Разработанное в рамках диссертационной работы специализированное программное обеспечение для осциллографирования процессов, происходящих в электротрансмиссии при испытаниях макетного образца транспортного средства.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана система управления ВИД НВ с зависимым управлением током возбуждения от тока статора и её компьютерная модель.

2. Разработаны алгоритмы, обеспечивающие автономную, согласованную работу всех устройств электротрансмиссии.

3. Разработан алгоритм уменьшения потерь в инверторах напряжения за счет оптимизации коммутаций силовых ключей в векторной ШИМ.

4. Разработана методика испытаний опытных образцов ВИД НВ, позволяющая экспериментально получить зависимость момента двигателя от тока статора и тока возбуждения.

5. Уточнена компьютерная модель ВИД НВ путем учета вихревых токов контура возбуждения, выявленных на испытаниях привода.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждена компьютерным моделированием, экспериментальными исследованиями макета привода на лабораторном стенде, экспериментальными исследованиями опытного образца двигателя, ходовыми испытаниями макета гибридного транспортного средства с разработанной системой управления.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Способ и система управления ВИД НВ, отличающая зависимым управлением током возбуждения в функции тока статора и содержащая элементы для обеспечения согласованной работы с другими устройствами электротрансмиссии.

2. Алгоритм уменьшения потерь инвертора напряжения за счет оптимизации коммутаций ключей в векторной ШИМ.

3. Методика испытаний опытных образцов ВИД НВ, позволяющая экспериментально получить зависимость момента двигателя от тока статора и тока возбуждения.

4. Структура компьютерной модели ВИД НВ, учитывающая вихревые токи контура возбуждения ВИД НВ.

5. Комплекс программ для параметрирования, диагностики, сбора и визуализации информации по работе тяговых двигателей и электротрансмиссии в целом.

6. Результаты экспериментальных исследований разработанных алгоритмов и систем управления тяговыми ВИД НВ и электротрансмиссией на их основе.

Основные практические результаты диссертации состоят в разработке компьютерной модели ВИД НВ и его системы управления; в технической реализации системы управления в контроллере преобразователя тягового двигателя; определении характеристик опытных экземпляров тяговых ВИД НВ мощ-

ностью 35кВт; обеспечении ходовых испытаний макета транспортного средства на базе восьми ВИД КПЗ мощностью 35кВт; в разработке алгоритмов, обеспечивающих автономную согласованную работу всех устройств электротрансмиссии. В работе показана и подтверждена целесообразность использования ВИД НВ для тягового применения.

Соответствие диссертации паспорту специальности.

Диссертация соответствует паспорту специальности 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на заседании кафедры «Автоматизированного электропривода» Московского энергетического института, а также на XX Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика», г. Алушта- 2013.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 5 печатных трудах, в том числе в издании, входящем в перечень рекомендованных ВАК РФ по направлению «Энергетика», получен патент.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 34 пунктов. Содержание работы изложено на 154 страницах машинописного текста, включает 72 рисунка и приложение. ,

Во введении обоснована актуальность работы.

В первой главе произведено сравнение ВИД НВ с другими типами электродвигателей, подробно рассмотрены преимущества и недостатки электродвигателей разных типов применительно к задачам электротяги. Обоснована целесообразность применения ВИД НВ в качестве тягового электродвигателя.

Вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением (ВИД НВ) также известен как одноименнополюсный индукторный двигатель с аксиальным возбуждением и уже рассматривался во многих работах. Свойства данной машины приближены к классической синхронной машине с возбуждением со стороны ротора и скользящим контактом. Однако конструктивно в рассматриваемой машине обмотка возбуждения расположена на статоре, а скользящий контакт отсутствует. На Рис. 1 схематично показана геометрия ротора и магнитный поток обмотки возбуждения, а на Рис. 2 изображено взаимодействие магнитных потоков статора и ротора, при этом ротор на рисунке установлен в согласованное положение (момент равен нулю).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I

Рис. 1. Геометрия ротора и магнитный поток обмотки возбуждения.

!Т 2

А

А

С , В q Щ..

Рис. 2. Взаимодействие магнитных потоков

|ща статора и ротора: ро-

тор установлен в точке синхронизации (ну-

в левой момент).

А

А

Машина состоит из двух пакетов, между которыми установлена обмотка возбуждения. Ротор и статор выполнены из шихтованного железа, постоянные магниты отсутствуют. Для уменьшения пульсаций момента обмотка статора тягового двигателя выполнена трехфазной распределенной. Витки обмотки статора охватывают сразу оба пакета машины. Следует отметить, что машина подразумевает разнополярное питание, электромагнитный момент активный и образован за счет взаимодействия поля, созданного током обмотки возбуждения с полем, созданным обмотками статора. По принципу работы эта машина отлична от классических вентильно-индукторных двигателей с самовозбуждением (SRD), в которых момент реактивный. С точки зрения управления машина эквивалентна синхронной машине с контактными кольцами, позволяя независимо регулировать ток статора и ток возбуждения.

Преимущества ВИД НВ: отсутствие скользящего контакта; относительная простота и низкая стоимость изготовления; управляемое возбуждение, широкий диапазон постоянства мощности; отсутствие перемагничивания ротора, а, следовательно, и отсутствие потерь в нем - большая часть потерь выделяется на статоре, а с него отводить тепло проще вследствие хорошей теплопроводности; применение для управления машиной тех же алгоритмов, которые классически используются для синхронных машин (векторное управление); использование стандартного трехфазного инвертора в управляющем преобразователе; нет риска повреждения силового преобразователя из-за возникновения завышенной ЭДС двигателя при работе в зоне ослабления; за счет распределенной обмотки статора пульсации момента на валу и вибрации практически отсутствуют.

Имеется более чем 10 летний опыт успешной промышленной эксплуатации приводов ВИД НВ мощностью 315-1250 кВт с сосредоточенной катушечной обмоткой статора, разработанных в России (Русаков A.M., Остриров В.Н, Козаченко В.Ф, Дроздов А.В, Алямкин Д.И.). Эти двигатели используются для объектов ЖКХ в качестве привода сетевых насосов, дутьевых вентиляторов, дымососов. В диссертации показано, что применительно к тяговому приводу целесообразен переход от сосредоточенной к распределенной обмотке статора и существенное сокращение числа зубцов на роторе (до 4-х), что минимизирует пульсации момента и шумы, снижает частоту токов в обмотках статора, расширяя диапазон регулирования скорости.

Несмотря на обилие преимуществ, ВИД НВ имеет ряд недостатков. В данном типе двигателей следует применять специальные меры для предотвращения замыкания магнитного потока возбуждения по подшипниковым щитам, в обход магнитопровода статора. Также существует проблема, связанная с отво-

дом тепла от обмотки возбуждения, расположенной между пакетами ротора -площади контакта её со статором может быть недостаточно, чтобы отводить выделяющееся в ней тепло. Требуется принимать специальные конструктивные меры для улучшения теплоотдачи, либо для уменьшения потерь в обмотке.

Несмотря на указанные недостатки ВИД НВ (которые могут быть конструктивно устранены при дальнейшем развитии данного привода), этот тип электродвигателя является перспективным для тягового применения, требует дальнейшего изучения и синтеза системы управления, оптимальной для этой сферы применения.

Далее в главе диссертации сформулированы цели и задачи работы.

Во второй главе предложен типовой состав оборудования электротрансмиссии для гибридного колесного транспортного средства на базе ВИД НВ. На Рис. 3 приведен пример архитектуры гибридной трансмиссии последовательного типа с индивидуальным приводом колес.

Молекулярный накопитель

Преобразователь Источник Источник

тормозных питания питания

резисторов приборный силовом

ДВС

=24В

-380В охлаждение

Генератор

Тормозные резисторы

Рис. 3. Пример архитектуры гибридной трансмиссии последовательного типа с индивидуальным приводом колес.

В состав трансмиссии входят:

• ВИД НВ - несколько вентильно-индукторных двигателей с независимым возбуждением, по числу колес.

• Преобразователь для ВИД НВ - инвертор напряжения с микропроцессорным управлением. Преобразователи подключаются к общему звену постоянного тока.

» Молекулярный накопитель (суперконденсатор, ионистор). Вместо молекулярного накопителя может использоваться аккумуляторная батарея, например, литий-ионного типа.

» Преобразователь молекулярного накопителя - О С/Т) С преобразователь, обеспечивающий двунаправленный обмен энергией между накопителем и звеном постоянного тока.

• Двигатель внутреннего сгорания (ДВС), приводящий во вращение тяговый генератор.

• Преобразователь генератора, содержащий выпрямитель и (опционально) инвертор для возможности рассеивания энергии торможения в ДВС, а также обеспечения стартерного режима ДВС.

• Тормозные резисторы - резисторы для приема энергии торможения.

• Преобразователь тормозных резисторов для управления уровнем рассеиваемой в резисторах энергии.

• Источники питания приборный и силовой - опционально могут быть установлены для служебных нужд, системы охлаждения.

• Контроллер верхнего уровня (КВУ) - осуществляет управление всей электротрансмиссией, обрабатывает педали газа и тормоза, селектора направления движения, осуществляет связь с БИУС.

• БИУС - бортовая информационно-управляющая система. Осуществляет отображение текущих параметров пользователю, заведует включением/выключением различных режимов работы, устройств по выбору пользователя, управляет светотехникой, навигацией и т.п.

Те или иные блоки могут отсутствовать в зависимости от требований, предъявляемых к транспортному средству, однако общий подход сохраняется - трансмиссия рассмативается как совокупность автономно работающих силовых преобразователей объединенных по локальной промышленной шине.

Далее в работе производится выбор базовой системы управления для ВИД НВ. Выбор осуществляется между системой управления, реализующей автокоммутацию фаз двигателя по датчику положения ротора с токоограничением и векторной системой управления — для реализации предложена векторная система управления. Приведена ее структура, в которой на вход подаются задания токов /д, Ы, I/- моментообразующего тока статора, тока статора для ослабления поля, тока возбуждения.

Производится сравнительный анализ различных возможностей управления тяговым приводом от системы управления верхнего уровня: задание частоты вращения, задание уровня тока, задание мощности, задание момента. Обосновывается выбор способа управления заданием момента привода, как наиболее рационального.

Синтезируется структура, осуществляющая преобразование задания момента в задания токов /д, М, I/, необходимых для векторной структуры управления. Самым главным вопросом при синтезе этой структуры является совместное управление током статора /д и током возбуждения I/. В работе показывается, что традиционный режим ослабления поля, когда до определенной частоты ток возбуждения I/ сохраняется постоянным, а после определенной частоты вращения начинает уменьшаться, не подходит. Единственно-возможным для проектируемых ВИД НВ является пропорциональное изменение тока статора и тока возбуждения: осуществление программной имитации машины последовательного возбуждения. Таким образом, синтезируемая структура должна из задания момента Мзад, полученного от системы верхнего уровня, сформи-

ровать пропорциональные друг другу задания токов 1ч зад и 1Г зад, что в относительных единицах выглядит следующим образом:

При больших заданиях момента может сложиться ситуация, когда регуляторы токов не смогут воспроизвести задание тока по оси д из-за нехватки напряжения на инверторе. В этом случае фактическое значение тока статора окажется меньше заданного - будет нарушена пропорциональность между током статора и током возбуждения, что ухудшит характеристики привода. Для противодействия этому необходимо формировать задание тока возбуждения выбирая минимум из текущего тока статора и задания возбуждения, рассчитанного из значения момента:

В синтезируемую структуру заложены дополнительные функции, в том числе осуществляющие согласованную работу тяговых двигателей с другим оборудованием электротрансмиссии:

• Ограничения заданного момента при выходе напряжения в звене постоянного тока преобразователя за допустимые пределы (подробнее будет рассматривается далее).

• Ограничения максимальной частоты вращения привода для обеспечения безопасности. Для этого постобработкой ограничено задание момента при достижении приводом большой частоты вращения. Предложено ограничивать только тяговый момент, но не тормозной. Это позволяет останавливать привод с любой начальной скорости, например, при спуске под уклон.

Еще одна решенная задача - расширение диапазона регулирования частоты вращения вверх за счет управления током по оси (3. Ток оси <3 не влияет на момент двигателя, однако создание отрицательного тока оси с! позволит уменьшить прикладываемое к двигателю напряжение, не уменьшив при этом момент. А значит, при нехватке напряжения на инверторе на высокой частоте вращения создание отрицательного тока по оси <3 позволить реализовать заданный момент, несмотря на первоначальную нехватку напряжения. Такой метод называется ослаблением поля двигателя током статора и успешно применяется для синхронных машин с постоянными магнитами, для которых этот метод является единственно возможным при работе на высокой скорости. Для ВИД НВ этот метод нужен лишь для увеличения максимальной мощности в зоне высоких скоростей.

На Рис.4 показана синтезированная в соответствии с вышеизложенным структура для предварительной обработки задания момента.

(1)

(2)

Ограничение момента по напряжению и частоте вращения Ослабление поля по оси d

и

а

DC

к,

■1 Г"

Ud сниж | |

85'

V,

IH'm'm

| Т Огранич.

i I тока

, Скважность

[ 1 d зад

Тр +1

КВУ зад

Знак момента

01

1 й m

0 \

1 0

А

-со....

МКВУ_зад

Преобразование задания момента в задания токов

Рис.4. Структура предварительного обработки задания момента

заданный момент в относительных единицах, поступает через интерфейс связи от КВУ персонально каждому приводу. Ограничение момента по напряжению и частоте вращения происходит за счет вырабатывания двух коэффициентов ослабления задания момента:

^с/йсниж. равного единице в номинальном диапазоне изменения напряжения звена постоянного тока UDC, линейно уменьшающегося до нуля при понижении напряжения ниже уставки UDCmin и повышении напряжения выше уставки UDCmax.

/сшсниж, равного единице в номинальном диапазоне частоты вращения, линейно уменьшающегося до нуля при понижении частоты вращения ниже ~°'тах при отрицательном задании момента и повышении частоты вращения выше сотах при положительном задании момента.

Далее полученные коэффициенты ослабления момента умножаются на переданный через интерфейс связи заданный момент МкВУ_зад, после чего результат подается на структуру преобразования задания момента в задания токов.

Структура ослабления поля за счет создания тока по оси d контролирует текущий процент использования напряжения инвертором, выраженный величиной «Скважность». Если она становится выше 85%, т.е. практически весь запас по напряжению на инверторе исчерпан, формируется отрицательное задание тока оси d, повышаясь с ростом скважности. На 85% задание тока оси d равно нулю, а к 100% повышается до максимального. Чтобы исключить колебательный процесс, который может появиться из-за быстрой реакции регуляторов тока на изменение задания тока по оси d, задание пропущено через инерционное звено первого порядка с постоянной времени, на порядок большей времени реакции регуляторов тока.

Синтезированная структура является надстройкой над традиционной векторной системой управления и обеспечивает возможность успешного применения ВИД НВ в электротяге.

Далее в главе рассматриваются разные подходы к построению взаимосвязи между различными устройствами электротрансмиссии. Обосновывается принцип обеспечения согласованной работы всего оборудования электротрансмиссии, базирующийся на программном изменении функционирования устройств в зависимости от уровня напряжения в звене постоянного тока. Каждое устройство пытается реализовать свое задание, но в определенном коридоре напряжений звена постоянного тока (ЗПТ). Если напряжение приближается к границе, то устройство начинает автоматически сбрасывать свое задание. Выбраны следующие координаты управления каждым устройством (из показанных на Рис. 3) - задания, которое устройство получает от контроллера верхнего уровня:

• Преобразователь тягового двигателя: задание момента.

• Преобразователь генератора: задание напряжения ЗПТ.

• Преобразователь молекулярного накопителя: задание напряжения ЗПТ.

• Преобразователь тормозных резисторов: нет задания от КВУ. Работает полностью автономно.

• Источники питания: нет задания от КВУ. Работают полностью автономно.

Далее для визуализации принципа согласования работы устройств обратимся к Рис. 5, где показаны зоны работы в зависимости от напряжения постоянного тока для каждого из устройств. На рисунке приведены шесть диаграмм, для каждого из типов устройств, где по оси ординат отложено напряжение в звене, а по оси абсцисс - регулируемая алгоритмом величина, уменьшение которой приводит к уменьшению отдаваемой/принимаемой устройством мощности. Для двигателя и генератора это момент, для тормозных резисторов это скважность (прикладываемое к резисторам напряжение), для источников питания и молекулярного накопителя это непосредственно мощность.

Двигатель

Генератор Тормозные резисторы

Источник питания приборный

Молекулярный накопитель

Рис. 5. Работа устройств электротрансмиссии в зависимости от напряжения звена постоянного тока: принцип максимальной автономности

Так, в обычном режиме движения транспортного средства напряжение в звене постоянного тока находится в зоне, отмеченной на рисунке номером 6. В

этой зоне генератор от верхнего края зоны 6 до нижнего края зоны 6 линейно увеличивает свой момент (мощность, отбираемую от ДВС), поддерживая таким образом напряжение ЗПТ в границах зоны 6. Эта функция реализована непосредственно в контроллере преобразователя генератора и реализуется автономно, например, за счет управления возбуждением генератора. Контролер верхнего уровня может лишь управлять уставной заданного напряжения. Точно также в этой зоне стабилизирует напряжение преобразователь молекулярного накопителя (аккумулятора). Тяговые двигатели в зоне 6 могут реализовывать любой заданный контроллером верхнего уровня момент, как положительный, так и отрицательный. При потреблении двигателями большей энергии, чем могут выдать генератор и преобразователь накопителя, напряжение в звене постоянного тока будет понижаться. Когда напряжение попадает в зону 5, тяговые двигатели линейно снижают свой момент (а значит и мощность), независимо от того, какой момент задан контроллером верхнего уровня. Генератор и накопитель энергии в зоне 5 уже отдают свою максимальную мощность. Такой алгоритм не позволит тяговым двигателям опустить напряжение в звене постоянного тока слишком сильно, что привело бы к невозможности генератору и преобразователю накопителя развить полную мощность и привело бы к отключению источников питания, также работающих от напряжения звена постоянного тока. Таким образом, при интенсивном потреблении энергии (разгон транспортного средства) напряжение стабилизируется в зоне 5, где потребляемая двигателями энергия и отдаваемая генератором и накопителем выравниваются.

При рекуперативном торможении напряжение в звене постоянного тока начнет повышаться, так как двигатели начинают отдавать энергию торможения. Начиная с нижнего края зоны 7 преобразователь молекулярного накопителя начинает автоматически принимать энергию торможения. На верхней границе напряжения зоны 7 он выходит на полную мощность приема энергии. Если двигатели генерируют большую мощность, чем может принять накопитель, напряжение продолжит расти. В зоне 8 преобразователь генератора, если он оснащен блоком инвертора, начнет увеличивать свой двигательный момент, вращая ДВС и рассеивая энергию торможения (режим торможения дизелем). Если этой мощности (накопитель + генератор в двигательном режиме) будет недостаточно, то напряжение будет повышаться дальше, где в зоне 9 к рассеянию энергии подключатся тормозные резисторы. В случае же продолжения роста напряжения еще выше, в зоне 10 тяговые двигатели будут снижать свой момент, пока генерируемая и принимаемая мощности не сравняются. Источники питания при этом работают автономно и отдают ту мощность, какую расходуют их потребители.

Таким образом, следуя приведенным алгоритмам, все устройства электротрансмиссии будут автоматически регулировать уровень своей мощности в зависимости от напряжения в звене постоянного тока. Контроллер верхнего уровня может задавать любые моменты на каждый тяговый двигатель, не заботясь о режимах работы генератора, накопителя, тормозных резисторов и уровне напряжения. Система автоматически перераспределяет все потоки энергии, не требуя специального высокоскоростного интерфейса связи. Даже при отказе/сбое штатного интерфейса связи, например, у преобразователя генератора,

накопителя, тормозных резисторов - они могут выполнять свои функции автономно, не ухудшая показателей работы.

Все описанные выше алгоритмы реализованы в контроллерах системы управления электротрансмиссией. Так, функция снижения момента тягового двигателя в зависимости от напряжения звена постоянного тока была показана в структуре Рис.4.

В главе предложен ряд мер по повышению энергоэффективности тяговых приводов за счет уменьшения потерь в инверторах преобразователей. Первый метод основан на изменении частоты ШИМ в зависимости от уровня тока статора двигателя. Второй метод направлен на уменьшение динамических потерь ЮВТ ключей и основан на возможности реализовать в векторной ШИМ одно и то же выходное напряжение двумя разными способами (за счет использования разных нулевых векторов). На Рис. 6 показаны два варианта коммутации силовых ключей шестиключевого инвертора напряжения на одном периоде векторной ШИМ, которые при соответствующих скважностях дают одинаковое выходное напряжение, но используют разный нулевой вектор.

Рис. 6. Две различные схемы перебора базовых векторов инвертора при использовании различных нулевых векторов (111 и ООО)

Так, на рисунке слева не коммутируется первая стойка инвертора, а на рисунке справа не коммутируется последняя. Алгоритм снижения потерь анализирует токи фаз инвертора и не коммутирует ту стойку, где ток больше.

В третьей главе разрабатывается компьютерная модель тягового двигателя и его системы управления для проверки работоспособности синтезированных структур управления. Целью моделирования является проверка работоспособности и устойчивости системы управления в различных режимах: при работе без достижения ограничений по току, напряжению, частоте вращения; при работе в условиях нехватки питающего напряжения; при работе в условиях ограничения максимальной частоты вращения; при рекуперации в условиях работы блока ограничения напряжения в звене постоянного тока.

Приводится уточненная модель ВИД НВ: в процессе испытаний (описанных в последней главе) обнаруживается новое свойство двигателей - влияние вихревых токов на контур возбуждения, в результате чего поток машины регулируется медленно. Показано, как дорабатывается уже существующая математическая модель двигателя в соответствии с полученными результатами. На Рис. 7 показана структурная схема линейной модели ВИД НВ с учетом контура вихревого тока. Приводятся соответствующие результаты моделирования в пакете МАТЬАВ/БтиПпк:, подтверждающие работоспособность структур управления во всех основных режимах.

Отдельно описывается модель для проверки работы алгоритма снижения потерь в инверторе за счет применения оптимизированного метода векторной ШИМ. Приводятся результаты данного моделирования: алгоритм снижения потерь работоспособен и обеспечивает снижение динамических потерь в ключах инвертора на 15-20% по сравнению с классическим шестисекторным алгоритмом векторной ШИМ.

Четвертая глава посвящена разработке программного обеспечения системы управления электротрансмиссии. Приводится описание аппаратной части контроллеров, и силовых преобразователей. Разрабатывается структура низкоуровневого программного обеспечения для микроконтроллера силового преобразователя ВИД НВ, реализующего синтезированные структуры управления. Преобразователь управляется по двум каналам связи: CAN и RS-485. Интерфейс CAN с протоколом CANOpen обеспечивает настройку преобразователя, передачу текущих значений основных величин, диагностику преобразователя, перепрограммирование. Интерфейс RS-485 используется для управления движением: по нему задается момент от контроллера верхнего уровня, а обратно возвращается фактический момент и частота вращения. Интерфейс работает с высокой скоростью и позволяет реализовать в контроллере верхнего уровня противобуксовочную (ПБС) и антиблокировочную (АБС) системы помощи водителю.

Обосновывается и описывается создание дополнительных программных средств для персонального компьютера, предназначенных для отладки и исследования привода: программы параметрирования контроллера преобразователя и цифрового осциллографа. Первая разработанная программа взаимодействуют через интерфейс CAN с контроллерами силовых преобразователей и позволяют проводить их настройку, диагностику, осуществлять осциллографирование одновременно до четырех переменных привода с частотой выборки до 80 кГц средствами контроллера. Для отладки электротрансмиссии в целом была разработана вторая программа для мониторинга переменных в локальной сети CAN на основе данных, передаваемых между контролером верхнего уровня и контроллерами преобразователей. ПО позволяет строить графики более сотни физических величин на одной оси времени, наглядно отображая динамические

процессы при работе электротрансмиссии. Эти программные средства активно использовались при проведении экспериментальных исследований.

Пятая глава описывает обширные экспериментальные исследования разработанной системы управления, двигателя ВИД НВ, ходовые испытания макета транспортного средства. Сначала система управления испытывается на лабораторном макете привода, состоящем из преобразователя мощностью 7.5 кВт и прототипа тягового ВИД НВ с сосредоточенными обмотками фаз. Преобразователь содержит контроллер с разработанным ПО. Испытания подтверждают базовую работоспособность ПО и алгоритмов управления. Также на лабораторном стенде проверяется алгоритм снижения потерь в инверторе за счет оптимизации векторной ШИМ: уменьшение динамических потерь в ключах составило 16%, что совпадает с результатами моделирования.

Следующие испытания проводятся на заводе-изготовителе тяговых двигателей в г. Сарапул. Двигатели ВИД НВ мощностью 35 кВт управляются от специализированного силового преобразователя аналогичной мощности, также содержащего контроллер с разработанным ПО. Система управления и двигатели испытываются на холостом ходу во всем диапазоне частот вращения. Обнаруживается проблема вихревых токов контура возбуждения ВИД НВ, замедляющая регулирование потока возбуждения машины. Разрабатывается методика испытаний тяговых двигателей при заторможенном роторе и ПО поддержки испытаний. Полученные экспериментальные зависимости электромагнитного момента ВИД НВ от тока статора и тока возбуждения сравниваются с данными разработчика двигателей - Рис. 8, слева. Сравнение опытных данных с расчетными показывает практически полную идентичность характеристик, тем самым

Рис. 8. Слева: Экспериментально полученная поверхность зависимости момента ВИД НВ 35кВт от амплитуды тока статора Л и тока возбуждения I/при оптимальной фазе тока статора.

Справа: Экспериментально полученная тяговая характеристика ВИД НВ 35кВт при питании от источника ограниченной мощности в сравнении с заданной

Третий вид экспериментальных исследований - испытания электротрансмиссии в целом на макете транспортного средства (Рис. 9).

Рис. 9. Внешний вид макета транспортного средства, на котором ис-пытывалась разработанная электротрансмиссия

• Масса - 22т

• Макс, скорость - 97 км/ч

• Угол преод. подъема - 30°

• Возможность разворота на месте

• Функции АБС, ПБС

Описываются параметры макетного образца транспортного средства: масса 22 тонны, восемь двигателей ВИД НВ по 35 кВт (на каждое колесо), ДВС мощностью 300 кВт, приводящий во вращение генератор типа ВИД НВ с сосредоточенными обмотками, молекулярный накопитель энергии мощностью 80 кВт, источники питания. В процессе испытаний получены следующие результаты:

• Макетный образец достиг максимальной скорости 97 км/ч на взлетно-посадочной полосе аэродрома.

• Преодолен подъем 30 градусов на бетонном покрытии.

• Успешно проверены все специальные режимы: движение «от молекулярного накопителя» с заглушённым ДВС, запуск ДВС от генератора, режим «торможения дизелем», накопление энергии торможения в молекулярный накопитель, танковый разворот машины на месте.

• Измерена топливная экономичность: она оказалась почти в полтора раза лучше, чем у прототипа с механической трансмиссией.

По результатам ходовых испытаний построена тяговая характеристика двигателей ВИД НВ, показанная в сравнении с заданной в ТЗ на Рис. 8, справа. Экспериментальная характеристика в некоторой зоне проходит ниже заданной вследствие ограниченной мощности источника питания, а не ограничений двигателя или преобразователя. Больший максимальный момент достигнут вследствие увеличения токов на 10% по сравнению с расчетными, так как номинального момента не хватало для преодоления подъема 30 градусов из-за сильной пробуксовки передних четырех колес. Видно, что получен широкий диапазон работы в зоне постоянства мощности равный 10:1.

На Рис. 10 представлена одна из осциллограмм, в которой комплексно продемонстрирована работа всей электротрансмиссии. На ней происходит разгон макетного образца до 60 км/ч и последующее электрическое и механическое торможение. Осциллограмма получена при помощи разработанного ПО для персонального компьютера из данных, пересылаемых силовыми преобразователями. На осциллограмме в верхней части приведены частоты вращения тяговых двигателей, мощности, токи статора и возбуждения, текущий момент. При этом графики всех 8-ми двигателей наложены друг на друга. На нижней части осциллограммы приведена частота вращения ДВС, заряд молекулярного накопителя в процентах, напряжение на звене постоянного тока, мощность молекулярного накопителя, мощность тягового генератора.

Рис. 10. Осциллограмма разгона макетного образца и последующее торможение При разгоне мощности накопителя и генератора отрицательны, что говорит об отдаче ими энергии, а мощность двигателей положительна, что говорит о потреблении энергии. Мощность накопителя составляла 65 кВт, генератора 265-270 кВт. При торможении знаки мощности меняются - двигатели отдают энергию, накопитель и генератор принимают энергию. При этом накопитель мгновенно переходит из режима отдачи энергии в режим приема, а генератор, из-за инерционности контура возбуждения, сначала плавно снижает отдаваемую мощность, а затем переходит в двигательный режим. При этом мощность приема энергии накопителем составляет 65 кВт, а генератором 32кВт рассеиваемой в ДВС мощности. На данной осциллограмме комплексно продемонстрирована работа всей электротрансмиссии:

• Пропорциональное изменение тока статора и тока возбуждения тяговых двигателей. Так, в начале разгона значения тока статора и возбуждения были равны 350 А и 15 А, в конце разгона 100 А и 4 А соответственно.

• Автоматическое снижение момента двигателей при снижении напряжения в звене постоянного тока. Это позволяет двигателям всегда отбирать всю доступную мощность, а напряжению находиться в допустимом диапазоне. При трогании с места напряжение в звене постоянного тока «просело» с 540 до 510 В и сохранялось на данном уровне в процессе всего разгона, при этом генератор повышал свою мощность с разгоном ДВС.

• Автоматическое снижение момента двигателей при повышении напряжения в звене постоянного тока. После окончания разгона водитель применил электрическое торможение, в результате чего напряжение в звене постоянного

тока поднялось до 600 В за счет рекуперации энергии и ограничивалось на этом уровне алгоритмами управления тяговыми двигателями. При этом молекулярный накопитель и генератор (который работал в двигательном режиме) забирали такую мощность, которую имели возможность забрать.

• Осциллограммы токов и мощностей всех восьми тяговых двигателей наложены друг на друга и с определенной долей погрешности совпадают. Это говорит о единой настройке преобразователей, датчиков положения, малом разбросе параметров двигателей.

• Можно проследить за автоматической работой генератора, молекулярного накопителя. Они автоматически переходили из режима отдачи энергии в режим приема энергии, изменяли свою мощность в соответствии с разработанными алгоритмами согласованной работы устройств по напряжению ЗПТ.

' Далее в главе описываются проблемы, с которыми пришлось столкнуться в процессе испытаний и методы их устранения: наличие вихревых токов в контуре возбуждения ВИД НВ, введение автоматической калибровки датчиков напряжения постоянного тока, улучшение устойчивости на большой частоте вращения двигателей, устранение перенапряжений генератора ВИД НВ при резком сбросе нагрузки.

В заключении обобщены основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана структура системы управления тяговым ВИД НВ с зависимым управлением током возбуждения от тока статора, программно имитирующая машину последовательного возбуждения. Структура проверена моделированием в пакете МАТЬАВ/ЗтиНпк и подтверждена экспериментальными исследованиями. Получен диапазон работы привода в зоне постоянства мощности равный 10:1.

2. Разработаны и проверены экспериментально алгоритмы, обеспечивающие согласованную и автономную работу всех устройств электротрансмиссии на основе изменения поведения устройств в зависимости от текущего напряжения в звене постоянного тока.

3. Разработана компьютерная модель тягового ВИД НВ, учитывающая влияние вихревых токов контура возбуждения, выявленных при испытаниях опытных образцов ВИД НВ.

4. Синтезированы энергосберегающие алгоритмы, уменьшающие потери в инверторе за счет оптимизации векторной ШИМ. Согласно моделированию и лабораторным испытаниям на макете привода динамические потери в ключах инвертора уменьшаются на 16%.

5. Разработано низкоуровневое программное обеспечение для микроконтроллера силового преобразователя, реализующее синтезированные для управления ВИД НВ алгоритмы.

6. Разработан комплекс специальных программных средств исследования привода и электротрансмиссии, позволяющий производить параметрирование и осциллографирование работы всех устройств, входящих в распределенную систему управления электротрансмиссии.

7. Разработана методика испытаний тяговых ВИД НВ, структура экспериментального стенда. Проведены экспериментальные исследования разрабо-

тайной СУ и опытных образцов тяговых двигателей ВИД НВ мощностью 35кВт. Получена экспериментальная зависимость выходного момента двигателя от тока статора и тока возбуждения, тяговая характеристика, согласующаяся с теоретическим расчетом. 8. Проведены ходовые испытания макета 8-и колесного транспортного средства массой 22 тонны на основе электротрансмиссии с ВИД НВ. На макете проверены все разработанные алгоритмы и программное обеспечение в составе электротрансмиссии. Макетный образец показал максимальную скорость 97 км/ч, преодолел подъем 30 градусов, продемонстрировал режим разворота на месте и высокую топливную экономичность. Все заложенные в систему управления идеи себя оправдали, хотя и потребовали некоторых доработок по ходу испытаний.

Вывод. Двигатели ВЙД НВ с разработанной системой управления и тяговые привода на их основе доказали свою перспективность в электрической тяге. Имеет смысл продолжать исследования в этой области: экспериментально получить тяговую характеристику ВИД НВ на лабораторном стенде, вычисляя КПД двигателя и преобразователя во всех точках, провести испытания на нагрев. С точки зрения улучшения системы управления стоит приложить усилия для синтеза бездатчикового векторного управления двигателями с возможностью определения положения ротора вплоть до нулевой частоты вращения.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Лашкевич М. М. Применение регулятора тока нулевой последовательности для векторного управления трехфазным двигателем // Электричество - М.: ЗАО "Знак", 2013. - №1. - с.40-42.

2. Пат. 2428784 РФ, МПК Н02Р6/18, Н02Р21/13. Способ бездатчиковой оценки углового положения ротора многофазного электродвигателя // Ионов Алексей Александрович (RU), Зеленин Дмитрий Вадимович (RU), Козаченко Владимир Филиппович (RU), Алямкин Дмитрий Иванович (RU), Лашкевич Максим Михайлович (RU) - опубл. 10.09.2011.

3. Алямкин А.И, Козаченко В.Ф., Лашкевич М.М. и др. Разработка мощного синхронного электропривода с бездатчиковым векторным управлением // Тематический выпуск «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика» научно-технического журнала «ЭЛЕКТРОИНФОРМ». -Львов: ЕКОинформ, 2009. - С. 104 - 105.

4. Алямкин Д.И., Лашкевич М.М., Средства мониторинга и отладки сложных многопроцессорных приводов, объединенных промышленной сетью // Специальный выпуск «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика», вестника Национального технического университета «Харьковский политехнический институт» - Харьков: НТУ «ХПИ». - 2013. - С, 462 - 463.

5. Козаченко В.Ф., Лашкевич М.М., Вентильно-индукторный электропривод с независимым возбуждением для тягового применения // Электротехнические и компьютерные системы — 2011.— № 03(79).— С. 103—108

Печ. л. /('¿Д_Тираж ^(Ж)_Заказ т

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "МЭИ

04201364033 На правах рукописи

ЛАШКЕВИЧ МАКСИМ МИХАЙЛОВИЧ

уСйАМ

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОТРАНСМИССИИ С ТЯГОВЫМИ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Специальность 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Козаченко В.Ф.

Москва 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...................................................................................................................3

Глава 1. Обзор и сравнение различных типов электродвигателей для

применения в качестве тяговых.......................................................................12

Глава 2. Разработка алгоритмов и структур управления ВИД НВ.......26

2.1 Состав целевой элсктротраисмиссии....................................................................26

2.2 Параметры опытного тягового двигатели ВИД IIB н его преобразователя .28

2.3 Выбор типа системы управления для ВИД IIB...................................................33

2.4 Структура векторной системы управления.........................................................37

2.5 Выбор координаты управления приводом...........................................................39

2.6 Разработка структуры предвари тельной обработки задания..........................43

2.7 Взаимодействие системы управления тяговым приводом с другим оборудованием элсктротраисмиссии.................................................................................53

2.8 Уменьшение потерь в инверторе специальными методами ШИМ................60

Глава 3. Моделирование ВИД НВ и его системы управления................66

3.1 Моделирование векторной системы управления и структуры предварительной обработки задания момента................................................................66

3.2 Доработка модели ВИД НВ по результатам экспериментальных исследований..........................................................................................................................71

3.3 Моделирование алгоритма снижения потерь в инверторе...............................79

Глава 4. Разработка программного обеспечения.......................................83

4.1 Обзор аппаратного состава тягового преобразователя п его контроллера ...83

4.2 Разработка программного обеспечения для контроллера преобразователя.86

4.3 Создание программных средств для исследования привода............................92

Глава 5. Экспериментальные исследования.............................................100

5.1 Испы тания основных алгоритмов ПО на лабораторном макете привода ..100

5.2 Испы тания опытных образцов тяговых двигателей.......................................107

5.3 Испытания элсктротраисмиссии с двигателями ВИД IIB на лижете транспортного средства......................................................................................................126

Заключение.........................................................................................................148

Список литературы...........................................................................................150

Приложение 1.....................................................................................................154

Акт внедрения......................................................................................................................154

Введение

Данная работа направлена на создание системы управления электротрансмиссии с тяговыми вентильно-индукторными приводами для пневмоколесных машин. Основное внимание уделяется изучению свойств вентильно-индукторных двигателей, синтезу алгоритмов управления ими, а также взаимосвязанной работе тяговых приводов с остальными элементами электротрансмиссии. Область применения такой трансмиссии может быть различной, начиная от гибридных грузовиков, троллейбусов и заканчивая многоколесными специализированными тягачами, военной техникой.

Для тягового применения в настоящее время используются различные двигатели переменного тока вместе с соответствующими силовыми преобразователями (чаще всего на основе инвертора напряжения). Классические двигатели постоянного тока также все еще имеют свою нишу, но уже большей частью по историческим причинам, а не из-за технической целесообразности [7]. Сравнивая различные электродвигатели переменного тока с точки зрения применения в электротяге, можно выделить следующие преимущества и недостатки каждого из типов двигателей (более подробно см. Глава 1):

• Асинхронный двигатель. Относительно прост, надежен, дешев, очень хорошо исследован и освоен производством. Имеет проблемы с отводом тепла от ротора, обладает не лучшими массогабаритными показателями.

• Синхронный двигатель с контактными кольцами. Имеет большую зону постоянства мощности благодаря возможности управлять током возбуждения. Хорошо исследован, освоен производством. Обладает плохими массогабаритными показателями и плохой надежностью из-за наличия контактных колец.

• Синхронный двигатель с постоянными магнитами. Лучшие массогабаритные показатели, КПД. Хорошо исследован. Дорог и сложен в производстве, существует проблема надежного крепления

магнитов при больших частотах вращения. Малая зона постоянства мощности, существует риск перенапряжений при отключении преобразователя в зоне ослабления поля.

• Вентильио-индукторный двигатель с самовозбуждением (SRD). Самый простой, дешевый и технологичный в изготовлении, хорошие массогабаритные показатели, хорошо изучен, имеет большую зону постоянства мощности. Так как имеет однополярное питание, требует специализированного силового преобразователя. Имеет заметные пульсации момента и вибрацию.

• Вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением (ВИД НВ). Дешев, имеет хорошие массогабаритные показатели, имеет большую зону постоянства мощности. Относительно сложен в сборке (при использовании так называемой «опущенной» обмотки возбуждения). Изучен относительно слабо. Не найдено примеров применения в качестве тягового электропривода.

Актуальность работы. Из данных сравнительных характеристик видно, что вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением интересен для применения в качестве недорогого тягового электропривода. Большая зона постоянства мощности за счет наличия независимого возбуждения, отсутствие пульсаций момента делают его особенно привлекательным для электротяги. Исследование этого типа двигателя, системы управления для него, построение на основе данного привода электротрансмиссии является актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнялась в рамках НИР по созданию нового тягового электропривода на базе ВИД ITB для гибридной электротрансмиссии многоколесных транспортных средств. НИР объединил усилия большого количества научных групп, предприятий. Проектирование тяговых двигателей и генератора выполнялось научной группой Русакова A.M. (кафедра «Электротехнические комплексы автономных объектов» НИУ «МЭИ»); проектирование и производство микропроцессорных систем

управления, разработка алгоритмов управления двигателями и электротрансмиссией в целом - научной группой Козаченко В.Ф. (каф. АЭП НИУ «МЭИ», ООО "НПФ Вектор", г. Москва) с непосредственным участием автора диссертации; проектирование и производство силовых тяговых преобразователей - научной группой Острирова В.Н. (кафедра АЭП НИУ «МЭИ», ООО "НПП Цикл+", г.Москва); изготовление опытных образцов двигателей, стенда для их испытания - ОАО «Сарапульский электрогенераторный завод», г. Сарапул; тягового генератора - Тушинский машиностроительный завод, г. Москва; изготовление бортовой системы управления (БИУС) - ООО «Технопрактика», г. Москва; изготовление макетного образца гибридного транспортного средства - ООО «ВИЦ» г. Нижний Новгород; испытания проводились на полигоне Научно-исследовательского и испытательного центра бронетанковой техники (НИИЦ БТ), г. Кубинка.

Перед автором стояла задача разработки системы управления для двигателя, а также сопряжение алгоритмов управления двигателем с работой остальных устройств электротрансмиссии.

Главная идея и цель работы состоит в синтезе специальных алгоритмов управления ВИД НВ и электротрансмиссией, реализованных на современной микропроцессорной технике, которые должны позволить достичь оптимальной работы электродвигателя и обеспечить согласованное функционирование всех элементов электротрансмиссии в целом.

Реализация идеи позволит создать на базе ВИД НВ электротрансмиссию, которая должна иметь определенные преимущества (надежнее, проще в изготовлении и т.п.) по сравнению с электротрансмиссиями на основе других двигателей. Также данная работа направлена на более детальное изучение самих вептильпо-индукторных электродвигателей с независимым возбуждением, чтобы выявить их преимущества и недостатки при применении в качестве тягового электропривода.

Достижение поставленной цели требовало решения следующих задач:

• Сравнения вентильно-индукторного двигателя с другими типами двигателей для определения его преимуществ и недостатков, области применения.

• Разработки структуры управления для данного типа двигателя применительно к задачам электротяги.

• Исследования на компьютерной модели электропривода разработанной структуры управления.

• Разработки программного обеспечения для системы управления электродвигателем на языке программирования Си для встраиваемого микроконтроллера тягового преобразователя.

• Разработки программного обеспечения для персонального компьютера, позволяющего иметь полный доступ к системе управления электропривода во время его работы, выполнять параметрирование, настройку, производить осциллографирование.

• Испытания образцов вентильно-индукторного электропривода, обработки результатов испытаний.

• Проверки работы электротрансмиссии на основе ВИД НВ на макете транспортного средства.

• Доработки программного обеспечения, модели двигателя и системы управления по результатам испытаний.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана система управления ВИД НВ с зависимым управлением тока

возбуждения от тока статора и её компьютерная модель.

2. Разработаны алгоритмы, обеспечивающие согласованную работу всех

устройств электротрансмиссии.

3. Разработан алгоритм уменьшения потерь инвертора напряжения за счет

оптимизации коммутаций ключей в векторной ШИМ.

4. Разработана методика испытаний опытных образцов ВИД НВ, позволяющая экспериментально получить зависимость момента двигателя от тока статора и тока возбуждения.

5. Уточнена компьютерная модель ВИД НВ путем учета вихревых токов контура возбуждения, выявленных на испытаниях привода.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались:

- теория электропривода и цифровых систем управления;

- методы численного моделирования (ЭтиНпк МАТЬАВ) с элементами программирования на языке высокого уровня Си;

- компьютерные методы экспериментальных исследований опытных образцов ВИД НВ с использованием датчиков физических величин.

- Разработанное в рамках данной работы специализированное программное обеспечение для осциллографирования процессов, происходящих в электротрансмиссии при испытаниях макетного образца транспортного средства.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждена компьютерным моделированием, экспериментальными исследованиями макета привода на лабораторном стенде, экспериментальными исследованиями опытного образца двигателя, ходовыми испытаниями макета гибридного транспортного средства с разработанной системой управления.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Способ и система управления ВИД НВ, отличающая зависимым управлением тока возбуждения от тока статора и содержащая элементы для обеспечения согласованной работы с другими устройствами электротрансмиссии.

2. Алгоритм уменьшения потерь инвертора напряжения за счет оптимизации коммутаций ключей в векторной ШИМ.

3. Методика испытаний опытных образцов ВИД НВ, позволяющая экспериментально получить зависимость момента двигателя от тока статора и тока возбуждения.

4. Структура линейной модели ВИД НВ, учитывающая вихревые токи контура возбуждения ВИД НВ.

5. Комплекс программ для параметрирования, диагностики, сбора и визуализации информации по работе тяговых двигателей и электротрансмиссии в целом.

6. Результаты экспериментальных исследований разработанных алгоритмов и систем управления тяговыми ВИД НВ и электротрансмиссией на их основе.

Основные практические результаты диссертации состоят в технической реализации системы управления в контроллере преобразователя тягового двигателя; определении характеристик опытных экземпляров тяговых ВИД НВ мощностью 35кВт; обеспечении ходовых испытаний макета транспортного средства на базе восьми ВИД НВ мощностью 35кВт; в разработке компьютерной модели ВИД НВ и его системы управления; в разработке алгоритмов обеспечивающих автономную согласованную работу всех устройств электротрапсмиссии.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на заседании кафедры «Автоматизированного электропривода» Московского энергетического института, а также на XX Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика», г. Алушта - 2013.

В первой главе произведено сравнение ВИД НВ с другими типами электродвигателей. Подробно рассмотрены все преимущества и недостатки электродвигателей разных типов применительно к задачам электротяги. Обоснована целесообразность применения ВИД НВ в качестве тягового электропривода и дальнейшего исследования этого типа двигателей.

Сформулированы цели и задачи работы.

Во второй главе рассмотрен типовой состав оборудования электротрансмиссии для гибридного колесного транспортного средства: ДВС, генератор, накопитель энергии (батарея, суперконденсатор), двигатели, тормозные резисторы, вспомогательное оборудование. Приведены заложенные при проектировании параметры тягового двигателя ВИД НВ и его преобразователя, которые впоследствии были изготовлены в качестве опытных образцов для проведения испытаний.

Выбран тип системы управления. Выбор происходил между системой управления, реализующей автокоммутацию фаз двигателя по датчику положения ротора с токоограничением и векторной системой управления -для реализации выбрана векторная система управления. Приведена структура векторной системы управления.

Произведен анализ различных возможностей управления заданием привода (координат управления приводом): задание частоты вращения, задание уровня тока, задание мощности, задание момента. Обосновывается выбор управления заданием момента привода.

Синтезируется структура, осуществляющая преобразование задания момента в задания токов /д, Ы, 1/, необходимых для векторной'структуры управления. Кроме того в синтезируемую структуру закладываются функции осуществления согласованной работы тяговых двигателей с другим оборудованием электротрансмиссии.

Обосновывается и описывается принцип обеспечения согласованной работы всего оборудования электротрансмиссии, базирующийся на программном изменении функционирования оборудования в зависимости от уровня напряжения в звене постоянного тока. Приводится графическая иллюстрация с примером конкретной настройки уставок уровней напряжения.

Описывается методы улучшения ШИМ инвертора напряжения направленные на уменьшение потерь в инверторе. Первый метод основан на изменении частоты ШИМ в зависимости от уровня тока статора двигателя,

второй метод показывает, как уменьшить потери за счет оптимизации векторной ШИМ шестиключевого инвертора напряжения.

В третьей главе строится модель тягового двигателя и его системы управления для проверки работоспособности синтезированных структур управления. Приводятся результаты моделирования, подтверждающие базовую работоспособность структур управления. Отдельно описывается модель для проверки работы алгоритма снижения потерь в инверторе за счет применения оптимизированного метода векторной ШИМ. Приводятся результаты данного моделирования.

В четвертой главе описывается разработка программного обеспечения. Приводится описание аппаратной части как контроллера, так и преобразователя. Описывается строение низкоуровневого программного обеспечения для микроконтроллера силового преобразователя ВИД НВ, реализующего синтезированные структуры управления. Описываются базовые принципы построения ПО на языке С/С++ для микроконтроллера силового преобразователя. Далее показано проектирование дополнительных программных средств для персонального компьютера, предназначенных для отладки и исследования привода: программы параметрирования контроллера преобразователя и цифрового осциллографа.

Пятая глава описывает обширные экспериментальные исследования разработанной системы управления и двигателя ВИД НВ. Сначала система управления испытывается на лаборато