Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Вторник, 6 декабря
 
 


Это интересно!

Новости

Итоги Форума и премии «Живая электроника России - 2016»


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Проектирование асинхронных тяговых электродвигателей и синтез векторного управления тяговыми приводами

В статье рассматриваются методы оптимизации асинхронных электродвигателей. Синтез векторного управления включает идентификацию параметров электродвигателей, оптимизацию статического режима работы. Приводятся технические данные тягового оборудования гибридного автобуса и трактора с электромеханической трансмиссией, созданных в корпорации «Русэлпром».

Тяговый электропривод в гибридных транспортных средствах. Часть 5. Разработки КТЭО для гибридных транспортных средств в Концерне «РУСЭЛПРОМ»

Тяговый электропривод в гибридных транспортных средствах. Часть 4. Разработка КТЭО для гибридных транспортных средств в Концерне «РУСЭЛПРОМ»

В четвертой части этой статьи (начало см. в ЭК11, 2009) рассматриваются вопросы типажа, разработки, производства и эксплуатации гибридных автобусов. Указываются ведущие фирмы-производители оборудования для гибридных автобусов. Приводятся характеристики городского автобуса ЛИАЗ 5292ХХ с гибридной энергоустановкой – совместной работы концерна «Русэлпром» и Ликинского автобусного завода. По итогам Международного автотранспортного форума, Москва, 2008 г., этот автобус был признан лучшим автобусом года в России.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

3 декабря

Станция автономного электроснабжения





Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.

Скрыть/показать html версию статьи
background image
Э
лек
тр
оприв
о
д
23
электронные компоненты №11 2010
Станция автономного
ЭлектроСнабжения
АнАтолий ВиногрАдоВ, дмитрий изосимоВ, стАнислАВ ФлоренцеВ, АлексАндр короткоВ
ВВедение
Станция автономного электроснаб-
жения (аСЭ) предназначена для авто-
номного электропитания стабилизи-
рованным трехфазным напряжением
380/220 в, 50 гц, потребителей общего
назначения (технологическое и про-
мышленное оборудование, компьютер-
ное и телекоммуникационное оборудо-
вание, охранные и противопожарные
системы и т.д.) при питании от первич-
ного источника. максимальный эффек-
тивный выходной ток каждой фазы
аСЭ составляет 300 а, максимальная
активная мощность — 180 квт. в каче-
стве первичного источника рассматри-
вается звено постоянного тока, имею-
щее номинальное напряжение 800 в и
позволяющее производить отбор мощ-
ности до 200 квт. конкретно аСЭ про-
ектируется для использования в соста-
ве опционного устройства трактора с
электромеханической трансмиссией
Эт-300 цп (производство рУпп мтЗ,
минск), в котором звено постоянного
тока образованно двигателем внутрен-
него сгорания и мотор-генератором
комплекта тягового электрооборудо-
вания.
Схема автономного источника пита-
ния (см. рис. 1) включает следующие
элементы:
– двигатель внутреннего сгорания
(двС);
– асинхронный мотор-генератор
(мг), питаемый от 3-фазного мостового
IGBT-выпрямителя с системой вектор-
-выпрямителя с системой вектор-
ного управления (СУ мг);
– емкостный фильтр звена посто-
янного тока (Зпт);
– 3-фазный
мостовой
IGBT-
инвертор с системой векторного управ-
ления автономной станцией энергос-
набжения (СУ аСЭ);
– выходной синус-фильтр;
– датчики выходных фазных токов
и напряжений аСЭ;
– систему управления верхнего
уровня.
датчики напряжения Зпт и фазных
токов IGBT-преобразователей являют-
IGBT-преобразователей являют-
-преобразователей являют-
ся внутренними элементами преоб-
разователей и на схеме не показаны.
выход аСЭ подключается к электро-
приемникам (трехфазным или одно-
фазным).
Характерными особенностями аСЭ
Эт-300 цп являются:
– возможность 3-проводного и
4-проводного подключения нагрузки;
– сохранение высоких качествен-
ных показателей выходного напряже-
ния при различных типах нагрузок:
линейной и нелинейной, активного,
индуктивного и емкостного характера,
симметричной и несимметричной;
– высокая устойчивость к пере-
грузкам и коротким замыканиям;
– возможность прямого пуска
асинхронного двигателя мощностью,
соизмеримой с номинальной мощно-
стью аСЭ;
– стационарное и мобильное
исполнение;
– высокий кпд (>95%).
описАние системы упрАВления
Система управления приводом мг
характеризуется следующим особен-
ностями [1]:
– требование оптимизации управ-
ления по критерию минимизации
потерь в силовом электрооборудова-
нии транспортного средства приводит
к необходимости широкого диапазона
регулирования потокосцепления, прак-
тически от нуля в режиме холостого
хода до существенного перемагничи-
вания в режимах работы с предельным
моментом;
– широкий диапазон изменения
потокосцепления электрических машин
и рабочих температур приводит к зна-
чительным вариациям их электромаг-
нитных параметров, что предполагает
наличие алгоритмов адаптации систе-
мы управления к этим изменениям в
реальном времени работы системы;
– система измерения скорости/
положения получает исходную инфор-
мацию с достаточно грубого датчи-
ка перемещения (зубчатого колеса с
небольшим числом зубцов — 128 шт.),
что предполагает наличие специаль-
ных алгоритмов обработки сигналов,
поступающих с датчика, на основе
построения наблюдателей состояния
механической части привода.
Рис. 1. Структурная схема автономного источника питания на основе КТЭО транспортного средства с электромеханической трансмиссией
background image
24
Э
лек
тр
оприв
о
д
www.elcomdesign.ru
в дополнение к этим особенностям
привода мг, практически универсаль-
ных для большинства транспортных
средств с электромеханической транс-
миссией, можно добавить ряд уникаль-
ных требований, которые предъявля-
ются к приводу мг со стороны аСЭ, т.е.
напрямую связанных с показателями
качества электроэнергии, поступаю-
щей потребителям:
– относительно малая емкость Зпт
(3…8 мФ) предъявляет повышенные
требования к динамическим характе-
ристикам привода мг. необходимое
быстродействие привода, главным
образом, определяется суммарной
емкостью Зпт и допустимой величиной
динамических пульсаций напряжения
Зпт в связи с возможными резкими
изменениями нагрузки;
– при работе в 4-проводной
3-фазной системе питания с нейтраль-
ным проводом, который подключен к
общей точке статорных обмоток мг,
соединенных «в звезду», предъявляют-
ся дополнительные требования к ста-
бильности среднего за цикл модуляции
потенциала общей точки, т.е. к способу
формирования широтно-импульсной
модуляции (Шим). в отличие от широ-
ко распространенного в современном
цифровом электроприводе перемен-
ного тока векторного формирования
Шим [2], в системах питания применя-
ется Шим на основе сравнения трехфаз-
ных сигналов задания с пилообразным
опорным сигналом. таким образом, при-
ходится мириться с некоторым недоис-
пользованием автономного инвертора
привода по напряжению, получаемым
в рамках такого подхода при синусои-
дальном законе модуляции. при пере-
ходе ктЭо в основной (тяговый) режим
работы в приводе мг осуществляется
возврат к векторному формированию
Шим, что обеспечивает максимальное
использование напряжения Зпт.
блок-схема алгоритмов работы
моментного контура мг с адаптивно-
векторным управлением представлена
на рисунке 2. внешним по отношению к
моментному контуром системы управ-
ления мг является контур регулиро-
вания напряжения Зпт, работающий в
режиме стабилизации напряжения.
Система управления верхнего уров-
ня согласует работу отдельных элемен-
тов автономного источника питания
(двС, приводы мг, аСЭ) во всех режи-
мах: рабочих и аварийных.
Система управления аСЭ (см. рис. 3)
выполнена на основе модального регу-
лятора, реализованного в синхрон-
ной системе координат (dqo) с учетом
компенсации внешних воздействий
и перекрестных связей, с астатизмом
1-го порядка по выходному напряже-
нию аСЭ. ось d синхронной системы
координат ориентирована по век-
тору U
C
выходного напряжения аСЭ.
дополнительно в систему управления
входят координатные преобразования
(АВС)
(dqo) [2] фазных токов инверто-
ра I
f
, выходных фазных токов I
i
и напря-
жений аСЭ, обратное координатное
преобразование (dqo)
(АВС) заданных
напряжений инвертора U, алгоритмы
компенсации запаздывания, ограниче-
ния заданного напряжения и двухуров-
невого ограничения выходного тока.
регулятор аСЭ вычисляет заданные
напряжения инвертора в системе коор-
динат (dqo) по выражениям:
(1)
Рис. 2. Блок-схема алгоритмов работы моментного контура МГ с адаптивно-векторным управлением
Рис. 3. Структурная схема системы управления АСЭ
background image
background image
26
Э
лек
тр
оприв
о
д
www.elcomdesign.ru
где PiRegLim — функция пи-регулятора
с ограничением, параметрами кото-
рой являются коэффициенты пропор-
циональной (k
u1
) и интегральной (k
u2
)
составляющих регулятора и отклоне-
ние регулируемого компонента выход-
ного напряжения аСЭ от его заданного
значения; U
d
, U
q
, U
o
— компоненты век-
тора выходного напряжения аСЭ; I
fd
,
I
fq
, I
fo
, I
id
, I
iq
, I
io
— компоненты векторов
выходных токов инвертора и аСЭ; L
f
,
R
f
— индуктивность и активное сопро-
тивление дросселя LC-фильтра; C
f
емкость LC-фильтра; K
i
— коэффициент
обратной связи по току; ω — частота
выходного напряжения аСЭ.
коэффициенты регулятора выби-
раются исходя из желаемого распо-
ложения корней характеристическо-
го полинома системы [3]. в частности,
при настройке процессов в каждой
фазе аСЭ на биномиальное распре-
деление 3-го порядка имеем следую-
щие значения коэффициентов регу-
лятора:
(2)
где ω
o
— модуль кратного корня харак-
теристического полинома системы.
для эффективного ограничения
напряжений и токов аСЭ в регуля-
торе реализована многоуровневая
система ограничений, включающая
ограничение пи-регулятора выход-
ного напряжения, ограничение
задания на модуль Шим, двухуров-
невое ограничение выходного тока
инвертора. Уровень ограничения
пи-регулятора выбирается из мак-
симально возможного отклонения
вычисленного в регуляторе значения
выходного напряжения инвертора от
его заданного значения и в боль-
шой мере зависит от точности зада-
ния параметров LC-фильтра. первый
уровень токоограничения реализу-
ет «мягкое» ограничение амплитуды
заданного напряжения пропорцио-
нально превышению модуля тока зна-
чения уставки I
max1
. дополнительным
параметром является коэффициент
наклона характеристики токоогра-
ничения (k
OT
). время реакции этого
ограничения определяется быстро-
действием регулятора, т.е. величиной
ω
o
. второй уровень токоограничения
реализует «жесткое» релейное огра-
ничение фазных напряжений непо-
средственно на входе модуля Шим
при превышении модуля мгновенно-
го тока фазы значения уставки
I
max2
.
время реакции этого ограничения
определяется полупериодом моду-
ляции (при частоте модуляции 5 кгц
оно составляет 100 мкс).
рассмотренные ограничения пере-
менных в системе управления допол-
няются программными и аппаратными
защитами аСЭ от сверхтоков, аппарат-
ными защитами аСЭ и электроприем-
ников от перенапряжений.
результАты моделироВАния Асэ
моделирование процессов в авто-
номном источнике питания выполня-
лось в среде MATLAB с учетом Шим
и алгоритмов управления преобра-
зователями аСЭ и мг. при моделиро-
вании динамики принято допущение,
что быстродействие процесса обмена
энергии между двС и мг с учетом
динамики двС, кинетической энергии
вращающихся масс, электромагнит-
ной энергии, запасенной в обмотках
мг, определяется главным образом
настройкой регуляторов мг. Учет
динамики двС выполнялся с помо-
щью инерционного звена 1-го поряд-
ка на основе данных натурного экс-
перимента. представленные ниже
результаты получены при следующих
параметрах системы автономного
питания:
– период модуляции привода мг:
200 мкс;
– период модуляции инвертора
аСЭ: 200 мкс;
– постоянная настройки контура
регулирования напряжения Зпт в при-
воде мг: 0.001 с;
– постоянная настройки регулято-
ра аСЭ: T
0
= 1/ ω
o
= 200 мкс;
– номинальное напряжение Зпт:
800 в;
– суммарная емкость Зпт: 7000 мкФ;
– параметры схемы замещения мг:
L
S
= 0,003137 гн; L
m
= 0,00302 гн;
L
S
= 0,003137 гн; R
S
= 0,0227 ом,
R
r
= 0,0091 ом;
– параметры синус фильтра аСЭ:
L
f
= 200 мкгн; C
f
= 360 мкФ.
Заметим, что ниже специально пред-
ставлены диаграммы работы аСЭ в наи-
более тяжелых режимах работы, при-
водящих к наибольшим отклонениям
в регулируемых переменных. в основ-
ных типовых режимах работы аСЭ эти
отклонения несущественно малы.
на рисунке 4 приведены времен-
ные диаграммы выходных фазных
напряжений аСЭ, выходных фазных
токов инвертора аСЭ (токов в индук-
тивностях LC-фильтра), напряжения
Зпт в режимах отключения и после-
дующего включения номинальной
активной нагрузки в одной из фаз
аСЭ. исходное и конечное состояние
аСЭ соответствует его симметричной
активной нагрузке, близкой к номи-
нальной. величина пульсаций напря-
жения Зпт главным образом опреде-
ляется величиной асимметрии токов
нагрузки, величиной емкости Зпт и
быстродействием контура регули-
рования напряжения Зпт. пульсации
снижаются при увеличении емкости
Рис. 4. Временные диаграммы АСЭ в режиме коммутации активной нагрузки в одной фазе
background image
background image
28
Э
лек
тр
оприв
о
д
www.elcomdesign.ru
и быстродействия контура регули-
рования. в результате моделирова-
ния были определены рациональные
соотношения между динамическими
характеристиками систем управле-
ния приводом мг, инвертором аСЭ
и параметрами системы: емкостью
Зпт, индуктивностью и емкостью
LC-фильтра при условии действия
физических ограничений на напря-
жения, токи и частоту переключений
преобразователей. последнее свя-
зано с оптимизацией всех силовых
устройств по кпд, одной из состав-
ляющих которой являются коммута-
ционные потери в преобразователях.
выполнена оценка качества функ-
ционирования источника питания
при различных типах нагрузки актив-
ной, активно-индуктивной, активно-
емкостной как симметричной, так и
несимметричной, а также при работе
источника на нелинейную нагрузку в
виде неуправляемых выпрямителей.
оценка проводилась по следующим
критериям качества:
1) динамика оценивалась по ампли-
туде и продолжительности отклонения
модуля вектора выходного напряжения
от его заданного значения при ступен-
чатом изменении нагрузки в диапазоне
от холостого хода до номинальной. в
качестве интегрального критерия оцен-
ки динамики использовалось также
среднеквадратическое значение этого
отклонения;
2) статическая точность оценива-
лась по относительному отклонению
среднего значения модуля вектора
выходного напряжения от его заданно-
го значения;
3) величина отклонения мгновен-
ных значений выходного напряже-
ния аСЭ от идеальной симметричной
трехфазной синусоиды (интегральный
показатель несинусоидальности) оце-
нивался по относительному среднеква-
дратическому отклонению мгновенных
значений компонентов вектора выход-
ного напряжения от их заданных значе-
ний, соответствующих идеальной трех-
фазной синусоиде.
Сравнительный анализ качествен-
ных показателей работы автономно-
го источника питания проводился для
трех вариантов реализации регулятора
аСЭ:
1) с модальным регулятором, по-
строенным в естественной системе
координат (АВС), при компенсации
внешних воздействий (изменения зада-
ния и нагрузки);
2) с модальным регулятором, по-
строенным в синхронной системе коор-
динат (dqo), при компенсации внешних
воздействий и перекрестных связей;
3) с модальным регулятором, по-
строенным в синхронной системе
координат (dqo), с учетом компен-
сации внешних воздействий и пере-
крестных связей, с астатизмом 1-го
порядка по выходному напряжению
аСЭ.
Сравнительный анализ показал,
что по совокупности указанных пока-
зателей качества наилучшими харак-
теристиками обладает вариант 3. он
же показал наименьшую чувстви-
тельность характеристик источника
к вариациям параметров выходного
синус-фильтра относительно своих
базовых значений, введенных в систе-
му управления.
для варианта 3 регулятора получены
следующие показатели качества функ-
ционирования автономного источника
питания при указанных выше параме-
трах и работе на RL-нагрузку:
– статическая точность регулиро-
вания выходных напряжений аСЭ при
изменении нагрузки в пределах от
ХХ до номинальной, включая несим-
метричные режимы нагрузки: менее
0,5%;
– динамическая ошибка при сту-
пенчатом сбросе/набросе номинальной
нагрузки аСЭ (без учета работы супрес-
сора, аппаратно подавляющего пере-
напряжения в фазах аСЭ): менее ±80 в,
продолжительностью менее 1,5 мс;
– интегральный показатель неси-
нусоидальности выходных фазных
напряжений аСЭ при максимальной
асимметрии (нагрузка одной фазы —
номинальная, двух других — близкая к
ХХ): не более 1%.
– амплитуда пульсаций напряже-
ния Зпт в установившемся режиме при
симметричной номинальной нагрузке:
менее 1 в;
– амплитуда пульсаций напря-
жения Зпт в установившемся режиме
при максимальной несимметричной
нагрузке (нагрузка одной фазы — номи-
нальная, двух других — близкая к ХХ):
менее ±35 в.
– динамическая ошибка напря-
жения Зпт при ступенчатом сбросе/
набросе номинальной нагрузки аСЭ:
менее 65 в.
выполнена проверка качества функ-
ционирования автономного источни-
ка питания в аварийных режимах при
входе и выходе из короткого замы-
кания различных видов: однофазного
на землю, межфазного, трехфазного
замыкания на землю. основными кри-
териями является ограничение выход-
ного тока фаз инвертора на желаемом
уровне, безопасном для применяемо-
го типа силовых ключей, и отсутствие
недопустимых перенапряжений в
режиме выхода из короткого замыка-
ния. предполагается, что если действие
аварийного режима не прекращается
в течение заданного интервала вре-
мени, то за этим следует блокировка
Рис. 5. Временные диаграммы АСЭ в режиме однофазного короткого замыкания
background image
Э
лек
тр
оприв
о
д
29
электронные компоненты №11 2010
инвертора аСЭ с мониторингом причи-
ны блокировки. проверка работы аСЭ
в аварийных режимах показала, что
во всех аварийных режимах пиковый
ток фаз не превышал установленных
порогов, а перенапряжения при выхо-
де из кЗ практически отсутствовали.
на рисунке 5 приведены временные
диаграммы выходного напряжения,
выходного тока инвертора аСЭ фазы
а, напряжения Зпт в режиме замыка-
ния фазы а на нейтральный провод и
последующего выхода из этого режи-
ма. все изображенные переменные,
как и остальные переменные автоном-
ного источника питания, находятся в
пределах допустимых значений.
на основе представленных резуль-
татов моделирования выполнена раз-
работка первого опытного образца
автономной станции энергоснабжения.
его основные технические данные:
– конструктивное исполнение: в
виде шкафа для настенного или наполь-
ного монтажа (600×800×250 мм
3
);
– силовая часть преобразова-
теля выполнена на основе модуля
SKAI3001GD12-1452W фирмы Semikron;
– система управления выпол-
нена на основе микроконтроллера
TMS320F2808 фирмы Texas Instruments;
– система охлаждения: жидкостная,
автономная.
зАключение
разработана структурная схема
и алгоритмы векторного управления
автономной станцией энергоснабже-
ния, предназначенной для работы в
составе транспортного средства с элек-
тромеханической трансмиссией.
Сформулированы повышенные
требования к динамическим характе-
ристикам систем управления приво-
дом мотор-генератора и автономной
станцией энергоснабжения при усло-
вии работы со звеном постоянного
тока относительно небольшой емко-
сти.
выполнено математическое моде-
лирование процессов, протекающих в
рабочих и аварийных режимах функ-
ционирования автономного источника
питания с учетом Шим и алгоритмов
управления преобразователями аСЭ и
мг, что позволило:
– в результате сравнительного
анализа по сформулированным крите-
риям качества определить оптималь-
ную структуру регулятора: модальный,
построенный в синхронной системе
координат (dqo), с учетом компенсации
внешних воздействий и перекрестных
связей, с астатизмом 1-го порядка по
выходному напряжению аСЭ;
– определить рациональное соче-
тание параметров источника питания:
параметров системы управления при-
водом мг, емкости Зпт, параметров
системы управления аСЭ, параметров
синус фильтра, обеспечивающее желае-
мые характеристики системы автоном-
ного энергоснабжения;
– выполнить исследования рабо-
ты аСЭ при различных типах нагруз-
ки: активной, активно-индуктивной,
активно-емкостной как симметрич-
ной, так и несимметричной, а также
при работе источника на нелинейную
нагрузку в виде неуправляемых выпря-
мителей, которые удовлетворили
предъявляемым к аСЭ требованиям.
Литература
1. А.Б. Виноградов. Системы управле-
ния электроприводами гибридных транс-
портных средств/А.Б. Виноградов//Сборник
материалов конференции «Силовая элек-
троника». Москва. 6 июня 2008 г. С. 89.
2. А.Б. Виноградов. Векторное управ-
ление электроприводами переменного
тока/А.Б. Виноградов. — Иваново: ГОУВПО
«Ивановский государственный энерге-
тический университет им. В.И. Ленина».
2008. — 318 с.
3. Н.Т. Кузовков. Модальное управ-
ление и наблюдающие устройства/
Н.Т. Кузовков. — М.: Машиностроение,
1976. — 184 с.
Оцените материал:

Автор: Анатолий Виноградов, Дмитрий Изосимов, Станислав Флоренцев, Александр Коротков



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 
 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2016 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты