Устройство управления тяговым электродвигателем постоянного тока и блок формирования заданных значений токов якоря и возбуждения

Изобретение относится к приводу транспортных средств и может быть использовано в качестве электропривода электромобилей. Устройство управления электродвигателем постоянного тока и блок формирования заданных значений токов якоря и возбуждения позволяют предельно использовать машину постоянного тока с независимым возбуждением как в тяговом, так и в тормозном режимах во всем диапазоне возможных скоростей и нагрузок с учетом реальных ограничений по току и напряжению. Требуемые значения скоростей и моментов достигаются автоматически при минимально возможных в данной точке потерях. Технический результат заключается в повышении энергетических и массо-габаритных показателей. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах различного назначения, в частности для привода транспортных средств, например, для тягового электропривода аккумуляторных электромобилей.

Известно устройство, патент РФ №2101200, кл. B 60 L 15/08, 1996 г., в котором решены вопросы оптимального использования силовой полупроводниковой аппаратуры регуляторов тока якоря и тока возбуждения для режимов тяги, торможения и заряда аккумуляторной батареи от бытовой электросети.

Недостатком этого устройства является отсутствие проработки вопросов минимизации потерь в электроприводе.

Известен способ, патент ФРГ, №2812491, кл. B 60 L 15/10, 1979 г., в котором патентуется двухзонное управление машиной постоянного тока с независимым возбуждением в режиме рекуперативного торможения.

Недостатком этого способа является отсутствие проработки вопросов минимизации потерь как в тормозном, так и в тяговом режиме в условиях ограничения тока и напряжения питания.

Известны также способ и устройство, патент США, US 5483615А, кл. Н 02 Р 5/178, 1996 г., в котором для уменьшения потерь обеспечивается постоянство соотношения между током якоря и током возбуждения с помощью ферромагнитного сердечника.

Недостатком этого устройства является сложность технической реализации регулятора тока возбуждения и отсутствие оптимизации режимов работы в условиях ограничения по току и напряжению питания для оптимального электродвигателя и установленной мощности силовой полупроводниковой аппаратуры использования габаритной мощности.

Наиболее близким техническим решением является устройство, патент РФ №1534725, кл. Н 02 Р 5/06, 1990 г. (прототип), в котором осуществляется минимизациия потерь в статических режимах работы.

Недостатком этого устройства также является сложность практической реализации, обусловленная, во-первых, наличием шести датчиков, два из которых (датчик э.д.с. и датчик механической мощности ) чрезвычайно сложны, во-вторых, наличием трех блоков умножения, схемотехническая реализация двух из которых, учитывая принципиально "рваный" характер напряжения на обмотках якоря и возбуждения, а также пульсации тока якоря, становится недопустимо громоздкой для получения достаточно точных результатов перемножения и, в третьих, отсутствием оптимизации режимов работы в условиях ограничения по току и напряжению питания для оптимального использования габаритной мощности электродвигателя и установленной мощности силовой полупроводниковой аппаратуры.

Решение технической задачи направлено на упрощение практической реализации и на оптимизацию режимов работы в условиях ограничения по току и напряжению питания для оптимального использования габаритной мощности электродвигателя и установленной мощности силовой полупроводниковой аппаратуры.

Для решения поставленной технической задачи управления тяговым электродвигателем постоянного тока с независимым возбуждением измеряют текущее значение напряжения и тока в обмотке якоря, а также ток возбуждения, сравнивают текущие значения токов с заданными и по величине отклонения с помощью регуляторов тока формируют требуемые токи в обмотках электродвигателя, затем вводят новую переменную, коэффициент связи, равную отношению тока возбуждения к току якоря, определяют ее значение, обеспечивающее минимальные потери в электродвигателе при фиксированном моменте, и формируют заданные значения тока возбуждения в виде произведения текущего значения тока якоря на вышеупомянутый коэффициент, причем если в любом из режимов работы текущее значение напряжения якоря достигнет граничного значения, то монотонно уменьшают коэффициент связи в функции поддержания текущего значения напряжения якоря на граничном уровне, если же текущее значение тока якоря достигнет граничного значения, то монотонно уменьшают коэффициент связи в функции поддержания текущего значения тока якоря на граничном уровне, в случае же, когда текущее значение развиваемой электродвигателем мощности достигает предельно допустимого значения мощности бортовой аккумуляторной батареи, то монотонно уменьшают заданное значение тока якоря в функции поддержания развиваемой электродвигателем мощности на предельно допустимом уровне для бортовой аккумуляторной батареи, при этом переход в тяговый режим производят при наличии сигнала датчика педали акселератора автомобиля и отсутствии сигнала датчика педали тормоза, а переход в тормозной режим производят при наличии сигнала датчика педали тормоза и любом значении сигнала датчика педали акселератора автомобиля.

Устройство управления тяговым электродвигателем постоянного тока с независимым возбуждением, реализующее данный способ, содержит: датчики напряжения и тока якоря, датчик тока возбуждения, подключенный к первому входу регулятора возбуждения, блок формирования заданных значений токов якоря и возбуждения, первый вход которого подключен к датчику тока якоря и первому входу регулятора тока якоря, второй вход подключен к датчику напряжения якоря, а третий вход подключен к выходу блока коммутации, первый вход которого подключен к выходу датчика педали акселератора, а второй вход блока коммутации подключен к выходу датчика педали тормоза и входу компаратора, выход которого подключен к управляющему входу блока коммутации, при этом первый выход блока формирования заданных значений токов якоря и возбуждения подключен ко второму входу регулятора тока якоря, а второй выход этого блока подключен ко второму входу регулятора возбуждения.

Блок формирования заданных значений токов якоря и возбуждения, в составе описанного устройства, является оригинальным техническим решением, так как к его первому входу подключен датчик тока якоря, а ко второму входу, являющемуся одновременно и вторым входом первого блока умножения, подключен датчик напряжения якоря, при этом первый вход первого блока умножения подключен к первому входу второго блока умножения, кроме того, в него введен блок вычисления модуля тока якоря, два блока суммирования, три блока сравнения, три пропорциональных регулятора, блок задания уставок, при этом выход первого блока умножения через первый блок сравнения и первый пропорциональный регулятор соединен с первым входом первого блока суммирования, выход которого является первым выходом блока формирования заданных значений токов якоря и возбуждения и подключен ко второму входу регулятора тока якоря, в свою очередь, второй вход первого блока суммирования является третьим входом блока формирования заданных значений токов якоря и возбуждения и подключен к выходу блока коммутации, при этом первый вход блока формирования заданных значений токов якоря и возбуждения через блок вычисления модуля тока якоря подключен к первому входу первого блока умножения, а через последовательно включенные второй блок сравнения и второй пропорциональный регулятор подключен к первому входу второго блока суммирования, выход которого подключен ко второму входу второго блока умножения, второй вход второго блока суммирования подключен к первому выходу блока задания уставок, а третий вход через последовательно включенные третий пропорциональный регулятор и третий блок сравнения подключен к первому входу второго блока умножения, выход которого является вторым выходом блока формирования заданных значений токов якоря и возбуждения и подключен ко второму входу регулятора возбуждения, при этом второй, третий и четвертый выходы упомянутого выше блока задания уставок подключены ко вторым входам первого, второго и третьего блоков сравнения соответственно.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства, реализующая предлагаемый способ управления электродвигателем постоянного тока с независимым возбуждением; на фиг.2 - структурная схема блока формирования заданных значений токов якоря и возбуждения; на фиг.3 - предельные механические характеристики в тяговом режиме.

Устройство управления тяговым электродвигателем 1 постоянного тока с независимым возбуждением, реализующее данный способ, содержит: датчик 2 напряжения якоря и датчик 3 тока якоря, датчик 4 тока возбуждения, подключенный к первому входу регулятора 5 возбуждения, блок 6 формирования заданных значений токов якоря и возбуждения, первый вход которого подключен к датчику 3 тока якоря и первому входу регулятора 7 тока якоря, второй вход подключен к датчику 2 напряжения якоря, а третий вход подключен к выходу блока 8 коммутации, первый вход которого подключен к выходу датчика 9 педали акселератора, а второй вход блока 8 коммутации подключен к выходу датчика 10 педали тормоза и входу компаратора 11, выход которого подключен к управляющему входу блока 8 коммутации, при этом первый выход блока 6 формирования заданных значений токов якоря и возбуждения подключен ко второму входу регулятора 7 тока якоря, а второй выход этого блока подключен ко второму входу регулятора 5 возбуждения.

Блок 6 формирования заданных значений токов якоря и возбуждения в составе описанного устройства подключен своим первым входом к датчику 3 тока якоря, а своим вторым входом, являющимся одновременно и вторым входом первого блока 12 умножения, подключен к датчику 2 напряжения якоря, при этом первый вход первого блока 12 умножения подключен к первому входу второго блока 13 умножения, которые через первый блок 15 сравнения и первый пропорциональный регулятор 16 соединены с первым входом первого блока 17 суммирования, выход которого является первым выходом блока 6 формирования заданных значений токов якоря и возбуждения и подключен ко второму входу регулятора 7 тока якоря, в свою очередь, второй вход первого блока 17 суммирования является третьим входом блока 6 формирования заданных значений токов якоря и возбуждения и подключен к выходу блока 8 коммутации, при этом первый вход блока 6 формирования заданных значений токов якоря и возбуждения через блок 18 вычисления модуля тока якоря подключен к первому входу первого блока 12 умножения, а через последовательно включенные второй блок 19 сравнения и второй пропорциональный регулятор 20 подключен к первому входу второго блока 21 суммирования, выход которого подключен ко второму входу второго блока 13 умножения, второй вход второго блока 21 суммирования подключен к первому выходу блока 22 задания уставок, а третий вход через последовательно включенные третий пропорциональный регулятор 23 и третий блок 24 сравнения подключен к первому входу второго блока 13 умножения, выход которого является вторым выходом блока 6 формирования заданных значений токов якоря и возбуждения и подключен ко второму входу регулятора 5 возбуждения, при этом второй, третий и четвертый выходы упомянутого выше блока 22 задания уставок подключены ко вторым входам первого, второго и третьего блоков сравнения соответственно.

Работа устройства осуществляется следующим образом. При наличии сигнала датчика 9 педали акселератора автомобиля (педаль нажата) и отсутствии сигнала датчика 10 педали тормоза (педаль отпущена), блок 8 коммутации подключает к третьему входу блока 6 формирования заданных значений токов якоря и возбуждения сигнал с выхода датчика 9 педали акселератора, т.к. выходной сигнал компаратора 11 равен нулю, а следовательно, замыкание цепи выхода со вторым входом в блоке 8 коммутации отсутствует. Таким образом, сигнал с выхода датчика педали акселератора поступает на первый вход первого блока 17 суммирования и, если ограничение по мощности, потребляемой от источника энергии отсутствует (сигнал на выходе первого блока 15 сравнения, а следовательно и на выходе первого пропорционального регулятора 16 равен нулю), то он поступает на вход регулятора 7 тока якоря, который осуществляет формирование в якорной цепи тока, пропорционального этому сигналу.

Для пояснения формирования заданных значений тока возбуждения обратимся к известным уравнениям равновесия напряжения на обмотках машины постоянного тока с независимым возбуждением и развиваемого ей электромагнитного момента:

где I_Я, U_Я и I_В, U_В - соответственно ток и напряжение питания якорной обмотки и обмотки возбуждения;

R_Я, R_В - активные сопротивления якорной цепи и цепи обмотки возбуждения соответственно;

ω=рn - угловая скорость ротора, выраженная в электрических радианах (р - число пар полюсов машины, n-угловая скорость ротора в механических радианах);

L_m -взаимная индуктивность обмотки якоря и обмотки возбуждения. В соответствии с предлагаемым способом управления вводим новую переменную называемую в дальнейшем коэффициентом связи, тогда из уравнений (1) можно получить, что в статических режимах работы электромагнитный момент М, потери Р и мощность W, развиваемая машиной, равны (в начале для простоты изложения будем учитывать только потери в меди):

Из уравнения (3) видно, что существует такое значение коэффициента связи (будем называть его К_onm), при котором потери минимальны. Это значение коэффициента связи всегда можно получить из условия dP/dK=0. To же самое относится и к уравнению (4), то есть, существует такое значение коэффициента связи (будем называть его К_U), при котором мощность, развиваемая машиной, максимальна. Выражение для электромагнитного момента не имеет экстремума по коэффициенту связи, но, тем не менее, однозначно определяет величину коэффициента связи - K_I, при котором момент максимален.

В уравнениях (5), (6) и (7) знак “+” соответствует двигательному режиму работы, а “-” - генераторному.

Уравнения для механических характеристик при различном уровне потерь, т.е. при различных значениях коэффициента связи К, нетрудно получить из уравнения (4), разрешив его относительно скорости:

Для определения зоны возможной работы машины с минимумом потерь нужно построить кривую зависимости n=f(M) при К=К_onm, (фиг.3, кривая 2). Эта зона ограничена сверху максимально допустимой скоростью ротора n_max, a справа - максимальным моментом М₁, который определяется из уравнения (2) при К=К_оnm и I_в=I_{в max}. Для получения больших моментов необходимо отказаться от выполнения условия минимума потерь и монотонно, по мере возрастания требуемого момента, уменьшать коэффициент связи. Максимальное значение момента достигается при I_Я=I_{Я mах} и минимальном значении коэффициент связи, равном k_i.

Из уравнения (8) видно, что при фиксированном моменте и U_Я=U_{Я max} дальнейшее возрастание скорости возможно только за счет уменьшения значений коэффициента связи К, ниже К_оnm, причем это также ведет к возрастанию потерь. Умножив уравнение (8) на М, можно сделать вывод, что предельное значение мощности W_max, развиваемой машиной, не зависит от величины коэффициента связи, а определяется только величиной активного сопротивления якорной цепи и заданными ограничениями - U_Я=U_Яmах и I_Я=I_{Я mах}

Уравнению (9) соответствует гипербола (фиг.3, кривая 3), получаемая при выполнении условия одновременного ограничения напряжения и тока якорной цепи на максимальном уровне. Значения коэффициента связи, соответствующие этой гиперболе (будем обозначать их ), обратно пропорциональны угловой скорости вращения ротора и определяются из (8) при U_Я=U_{Я max} и I_Я=I_{Я max}

Зависимость n=f(M), получаемая при выполнении условия одновременного ограничения напряжения якорной цепи и тока возбуждения на максимальном уровне (фиг.3, линия 2), представляет из себя ни что иное, как “естественную” механическую характеристику. Значения коэффициента связи , соответствующие этому режиму работы, можно определить из уравнения (8), разрешенного относительно при U_Я=U_{Я mах} и I_в=I_{в max}.

При М=M_max величина достигает значения, равного K_I, т.е. в точке пересечения линий 2 и 3 токи, протекающие по обмоткам статора и ротора машины, максимальны.

Таким образом, как видно из вышеизложенного, в отношении величины коэффициента связи К плоскость n, М разбивается на три зоны:

1) Зона, ограниченная осями n и М, максимальной скоростью n_mах, кривой I и моментом М₁. Это зона (на фиг.3 заштрихована), в которой возможно выполнение условия минимума потерь. Величина коэффициента связи в этой зоне должна быть постоянная и равна К=К_оnm.

2) Зона, ограниченная прямой 2 и вертикальными линиями, соответствующими значениям моментов М₁ и М_mах. В этой зоне при увеличении требуемого момента коэффициент связи должен уменьшаться от К=K_оnm до К=К_I в функции ограничения тока возбуждения на уровне I_в=I_{в max}.

3) Зона, ограниченная кривой 1, максимальной скоростью n_mах, прямой 2 и гиперболой 3. В этой зоне по мере увеличения требуемого момента коэффициент связи должен уменьшаться от К=К_оnm до К=К_UI в функции ограничения U_Я на уровне U_{Я mах}.

Выше мы оговаривали, что первоначально, для простоты изложения, будем учитывать только потери в меди. Учет потерь в стали и ее насыщения, вообще говоря, не представляет принципиальных сложностей и отразится только на величине оптимального значения коэффициента связи. Однако величину К_оnm необходимо определять, учитывая не только потери в машине, а и в остальных элементах привода, в том числе и в источнике питания. Поэтому с практической точки зрения наиболее целесообразным является эмпирическое определение значения К_оnm.

Таким образом, при работе во второй зоне с учетом влияния ограничения тока силовых элементов регулятора 7 тока якоря необходимо уменьшать значение коэффициента связи К, начиная от К=К_оnm. Эти функции осуществляются вторым блоком 19 сравнения, вторым пропорциональным регулятором 20, верхний уровень выходного сигнала которого равен нулю, и вторым блоком 21 суммирования (фиг.2). Аналогичным образом следует поступать и при работе в третьей зоне с учетом ограничения напряжения. Эти функции осуществляются третьим блоком 24 сравнения, третьим пропорциональным регулятором 23, верхний уровень выходного сигнала которого равен нулю, и вторым блоком 21 суммирования. В то же время может оказаться, что предельная мощность машины с учетом ограничений по току и напряжению превышает допустимое значение мощности бортовой аккумуляторной батареи. Это ограничение не должно вызывать изменения величины коэффициента связи К. Поэтому ограничение мощности, потребляемой от бортовой аккумуляторной батареи, осуществляется за счет уменьшения заданного значения тока якоря, т.е. за счет развиваемого машиной момента. Эти функции осуществляются первым блоком 17 суммирования, первым пропорциональным регулятором 16, верхний уровень выходного сигнала которого равен нулю, первым блоком 15 сравнения и первым блоком 12 умножения.

Таким образом, предлагаемые устройство управления с блоком формирования заданных значений токов якоря и возбуждения позволяют предельно использовать машину постоянного тока с независимым возбуждением как в тяговом, так и в тормозном режимах во всем диапазоне возможных скоростей и нагрузок с учетом реальных ограничений по току и напряжению. Существенно, что требуемые значения скоростей и моментов достигаются автоматически при минимально возможных в данной точке потерях. Наибольший эффект дает использование предлагаемого изобретения там, где первостепенное значение имеют энергетические и массо-габаритные показатели. Характерным примером этого является тяговый электропривод легковых электромобилей.

1. Устройство управления тяговым электродвигателем постоянного тока с независимым возбуждением, содержащее датчики напряжения и тока якоря и датчик тока возбуждения, подключенный к первому входу регулятора возбуждения, отличающееся тем, что для оптимального использования габаритной мощности электродвигателя и установленной мощности силовой полупроводниковой аппаратуры в условиях ограничения тока и напряжения питания, в него введен блок формирования заданных значений токов якоря и возбуждения, первый вход которого подключен к датчику тока якоря и первому входу регулятора тока якоря, второй вход подключен к датчику напряжения якоря, а третий вход подключен к выходу блока коммутации, первый вход которого подключен к выходу датчика педали акселератора, а второй вход блока коммутации подключен к выходу датчика педали тормоза и входу компаратора, выход которого подключен к управляющему входу блока коммутации, при этом первый выход блока формирования заданных значений токов якоря и возбуждения подключен ко второму входу регулятора тока якоря, а второй выход этого блока подключен ко второму входу регулятора возбуждения.

2. Блок формирования заданных значений токов якоря и возбуждения, к первому входу которого подключен датчик тока якоря, а ко второму входу, являющемуся одновременно и вторым входом первого блока умножения, подключен датчик напряжения якоря, при этом первый вход первого блока умножения подключен к первому входу второго блока умножения, отличающийся тем, что для оптимального использования габаритной мощности электродвигателя и установленной мощности силовой полупроводниковой аппаратуры в условиях ограничения тока и напряжения питания, в него введен блок вычисления модуля тока якоря, два блока суммирования, три блока сравнения, три пропорциональных регулятора, блок задания уставок, при этом выход первого блока умножения через первый блок сравнения и первый пропорциональный регулятор соединен с первым входом первого блока суммирования, выход которого является первым выходом блока формирования заданных значений токов якоря и возбуждения и подключен ко второму входу регулятора тока якоря, в свою очередь, второй вход первого блока суммирования является третьим входом блока формирования заданных значений токов якоря и возбуждения и подключен к выходу блока коммутации, при этом первый вход блока формирования заданных значений токов якоря и возбуждения через блок вычисления модуля тока якоря подключен к первому входу первого блока умножения, а через последовательно включенные второй блок сравнения и второй пропорциональный регулятор подключен к первому входу второго блока суммирования, выход которого подключен ко второму входу второго блока умножения, второй вход второго блока суммирования подключен к первому выходу блока задания уставок, а третий вход через последовательно включенные третий пропорциональный регулятор и третий блок сравнения подключен к первому входу второго блока умножения, выход которого является вторым выходом блока формирования заданных значений токов якоря и возбуждения и подключен ко второму входу регулятора возбуждения, при этом второй, третий и четвертый выходы упомянутого выше блока задания уставок подключены ко вторым входам первого, второго и третьего блоков сравнения соответственно.