CC BY
109
УДК 621.313.323
А.Б . Красовский, Ю .В . Трунин
АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ УГЛОВОГО УПРЕЖДЕНИЯ ОТКЛЮЧЕНИЯ ФАЗ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Предложен алгоритм автоматического регулирования углового упреждения отключения фаз вентильно-индукторных двигателей, обеспечивающий повышение среднего значения их выходного момента. Представлены структура регулятора, реализующего этот алгоритм, и результаты имитационного моделирования его работы.
E-mail: [email protected]
Ключевые слова: вентильно-индукторный электропривод, положение коммутации, автоматическое регулирование, имитационное моделирование.
Введение. Одна из особенностей вентильно-индукторных двигателей (ВИД) состоит в необходимости коммутации фазных обмоток в строго определенных угловых положениях ротора, что при самом простом алгоритме коммутации реализуется непосредственно по командам датчика положения ротора (ДПР) в фиксированных положениях ротора. Однако во многих работах [1-3] отмечается целесообразность автоматической коррекции положения включения и отключения фаз при изменении нагрузки или угловой скорости ВИД.
Для организации алгоритма коммутации с автоматическим регулированием положений упреждений включения и отключения фаз систему управления ВИД дополняют специфическим регулятором положений коммутации фаз (РПК), который обеспечивает необходимую задержку команд ДПР [4]. Основные функции и алгоритмы РПК при регулировании упреждения включения фаз ВИД подробно рассмотрены в работе [5]. В предлагаемой работе рассмотрены функции, алгоритм и структура РПК при регулировании упреждения отключения фаз ВИД.
Функции РПК при регулировании положений отключения фаз ВИД. Положения ротора, при которых осуществляется отключение фаз ВИД, главным образом определяют пульсации и среднее значение выходного момента. Установлено, что пульсации выходного момента в некоторых режимах работы ВИД можно снизить примерно в 3 раза за счет соответствующего выбора углового упреждения отключения фаз [2]. Однако при автоматическом регулировании положений отключения фаз ВИД необходимо учитывать сложную неявную связь между выходным моментом и угловым
упреждением отключения фазы. Поэтому в тех случаях, когда решается задача минимизации пульсаций выходного момента, упреждение отключения фаз ВИД обычно задается непосредственно по экспериментальным или теоретически рассчитанным зависимостям для некоторого диапазона изменения нагрузки и скорости. В общем же случае задача автоматического регулирования упреждения отключения фаз ВИД с применением РПК может быть решена только для поддержания среднего значения выходного момента на максимальном уровне.
Рассмотрим принцип регулирования упреждения отключения фаз ВИД (рис. 1). Примем за базовую скорость обаз, при которой релейный регулятор фазного тока входит в насыщение в классической двухконтурной системе подчиненного регулирования выходных координат ВИД.
, , Уком
У. яг» V TTi^T"»
Рис. 1. Оптимальное отключение фазы ВИД в зоне низких скоростей
О< О баз
На рис. 1 в упрощенном виде представлены два варианта заднего фронта импульса фазного тока Тф. В первом варианте (7) его фронт имеет более крутой наклон, характерный для относительно низких скоростей ВИД о ^ о баз. Во втором варианте (2) наклон фронта более пологий, что характерно для скоростей ВИД, близких к базовой
скорости, а = а баз- Таким образом, по мере возрастания скорости ВИД процесс снижения фазного тока затягивается. Вследствие этого при постоянном угловом упреждении отключения /ком фаз ВИД ток в фазе может снижаться до нуля либо при работе ВИД в двигательном режиме, либо частично в двигательном и частично в генераторном режимах. В первом случае рабочая зона (зона перекрытия полюсов), в которой создается двигательный момент, используется не полностью, а во втором случае, наоборот, наличие тока в фазе в генераторной зоне приводит к созданию отрицательного (тормозного) момента. Поэтому при изменении скорости ВИД а < со баз необходимо регулировать /ком таким образом, чтобы фазный ток снижался до нуля к началу генераторной зоны в положении &к- Это позволит исключить создание отрицательного момента при скоростях ВИД, близких к базовой скорости (а « а баз), а также обеспечит полное использование рабочей зоны при относительно низких скоростях Сбаз).
В зоне высоких скоростей (а > а баз) релейный регулятор тока входит в насыщение, и импульс фазного тока имеет явно выраженный максимум (рис. 2). На рис. 2 видно, что в зоне высоких скоростей ВИД в отличие от зоны низких скоростей фазный ток снижается
Ур ас , Упер |
I I I Уком'
Уком|
Рис. 2. Оптимальное отключение фазы ВИД в зоне высоких скоростей
(а> а баз)
по нелинейному закону и на заключительном этапе отключения фазы этот процесс существенно замедляется. Поэтому снижение тока до нуля в положении 0 становится нецелесообразным, так как для этого необходимо значительное упреждение углового отключения /ком, фазы, при котором снижается фазный ток в рабочей зоне упер (см. рис. 2, кривая 7), и, следовательно, происходит существенное снижение развиваемого фазой двигательного момента.
Однако в работе [2] доказано, что в зоне высоких скоростей ВИД целесообразно отключать фазу ВИД с таким угловым упреждением ;кком, при котором процесс снижения тока происходит в генераторной зоне, где создается тормозной момент (см. рис. 2, кривая 2). Это позволяет, несмотря на наличие небольшого тормозного момента, намного увеличить средний момент за цикл коммутации, так как при малом упреждении отключения уком фазой ВИД создается больший двигательный момент.
В этом случае установить оптимальное положение снижения тока достаточно сложно, поскольку оно нелинейно зависит от многих факторов: амплитуды тока, геометрии магнитной системы, материалов статора и ротора, параметров фазных обмоток и т. п. Поэтому в зоне высоких скоростей ВИД оптимальное положение снижения фазного тока необходимо определять для каждого конкретного ВИД экспериментально или по его модели, например по модели на основе таблично заданных функций моментных и токовых характеристик. Однако общая тенденция изменения положения снижения тока при переходе из зоны низких скоростей ВИД в зону высоких скоростей будет характеризоваться смещением этого положения к генераторной зоне (как показано на рис. 2 стрелкой для положения 0'к).
Алгоритм регулирования. Для реализации автоматического регулирования упреждения отключения фаз ВИД как в зоне высоких, так и в зоне низких скоростей, построим единый алгоритм формирования сигнала коррекции Ахоткл. Рассмотрим особенности такого алгоритма при поддержании положения 0 снижения фазного тока в начале генераторной зоны (рис. 3).
Предлагаемый алгоритм основан на измерении рассогласования А^сшад по формируемой с помощью ДПР развертке углового положения ротора и дальнейшей коррекции по нему исходного положения 0ком отключения фазы. При этом измеряемое рассогласование Ахспад характеризует смещение положения снижения фазного тока от положения 0 начала генераторной зоны (см. рис. 1):
Ау = 0 -0. (1)
/ спад откл к? \ /
где 0откл - измеренное положение снижения фазного тока.
Рис. 3. Алгоритм формирования сигнала отключения фазного напряжения @откл
Следует отметить, что реально 1ф на этапе отключения фазы снижается нелинейно и в общем случае смещение А/спад не будет пропорционально необходимой коррекции А/спад положения включения фазы. Поэтому измеренное значение смещения А/спад необходимо предварительно подвергнуть некоторому нелинейному преобразованию, вид которого зависит от параметров двигателя и условий питания. Последовательное повторение рассматриваемого алгоритма управления в нескольких циклах коммутации ВИД позволяет довести смещение А/спад до минимального уровня и автоматически поддерживать его в процессе работы двигателя.
Регулятор положений отключения. Для реализации приведенного выше алгоритма автоматического регулирования упреждения отключения фаз ВИД необходимо добавить в общую структуру управления ВИД специфический регулятор положений отключения (РПО) фаз ВИД - функционально независимую часть общего регулятора положений коммутации РПК. Этот регулятор обеспечивает автоматическое регулирование упреждения отключения фаз ВИД вследствие добавления вычисляемой в реальном времени задержки к
сигналам ДПР, в течение которой ротор поворачивается в оптимальное положение для отключения фазы. Структурная схема такого регулятора представлена на рис. 4. Он имеет два канала задания оптимального положения отключения фаз ВИД, которые переключаются в зависимости от скоростного режима работы.
Рис. 4. Структурная схема регулятора положений отключения фаз ВИД
Регулирование в зоне низких скоростей осуществляется по каналу 1, при этом заданным положением снижения тока является положение ©к начала генераторной зоны. Регулирование в зоне высоких скоростей осуществляется по каналу 2, в этом случае в качестве поддерживаемого положения снижения фазного тока принимается положение © ' к, которое определяется экспериментально либо при помощи моделирования.
Начальное положение ©нач коммутации фазы выбирается любым, регулятор в том или ином случае установит оптимальное упреждение отключения и соответствующее ему положение ©ком, однако более целесообразно выбирать ©нач оптимальным для стартового режима работы ВИД.
Наиболее специфическим элементом РПО является нелинейный элемент Ф1. Он преобразует сигнал рассогласования по углу А^спад, который характеризуется разностью между заданным и текущим положениями снижения фазного тока до нуля, в сигнал коррекции А^откл положения отключения фаз и обеспечивает необходимое качество регулирования во всем скоростном диапазоне ВИД.
Результаты моделирования. Для определения вида нелинейной характеристики элемента Ф1 проведены расчеты на имитационной модели отработки ступенчатого задания скорости ВИД. При этом
вместо нелинейной характеристики элемента Ф1 задана характеристика с постоянным коэффициентом передачи сигнала
Кп = = 1. (2)
АУспад
Эксперимент показал, что по мере увеличения скорости ВИД переходный процесс изменения уком устанавливается за более чем один цикл коммутации фаз. Кроме того, при скоростях порядка а = 0,8а баз переходный процесс изменения уком принимает колебательный характер, что иллюстрирует рис. 5.
123456789 10
Рис. 5. Переходной процесс изменения углового упреждения отключения фаз ВИД при ступенчатом задании скорости
Изменение коэффициента Кп передачи сигнала в ходе модельного эксперимента позволило определить его оптимальные значения для различных скоростей ВИД. Моделирование показало, что для обеспечения устойчивости переходного процесса изменения уком достаточно аппроксимировать нелинейную характеристику элемента Ф1 линейной зависимостью с ограничением.
Для примера на рис. 6, б приведен исходный и скорректированный переходные процессы при отработке ступенчатого изменения скорости с 0,6 а баз до 0,8 а баз. На рис. 6, а приведена характеристика элемента Ф1, обеспечивающая длительность переходного процесса, равную трем-четырем циклам коммутации фаз ВИД при регулировании скорости ВИД во всем диапазоне низких скоростей.
б
Рис. 6. Характеристика элемента Ф1 (а) и скорректированный переходной процесс изменения углового упреждения отключения фаз ВИД при ступенчатом задании скорости (б)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Gribble J. J., Kjaler P. C., Cossar C., Miller T. J. E. Optimal commutation angles for current controlled switched reluctance motors // Power Electronics and Variable Speed Drives. 23-25 September 1996. Conference Publication. - No. 429. © IEEE, 1996.
2. Красовский А. Б. Имитационные модели в теории и практике вентильно-индукторного электропривода: Дис. ... д-ра техн. наук. - М., 2004.
3. Бычков М. Г. Основы теории, управление и проектирование вентильно-индукторного электропривода. Дис. ... д-ра техн. наук. - М., 1999.
4. Трунин Ю. В. Разработка регулятора положений коммутации фаз вентильно-индукторного двигателя. Дис. ... д-ра техн. наук. - М., 2008.
6. Трунин Ю. В. Автоматическое регулирование положений коммутации фаз вентильно-индукторных двигателей // Системы управления и информационные технологии. - 2007. - № 3.2 (29). - С. 306-310.
Статья поступила в редакцию 15.11.2011
