Тяговый электропривод в гибридных транспортных средствах. Часть 2. Идеология проектирования КТЭО (Продолжение, начало см. в ЭК 11)


PDF версия


Методы синтеза управления асинхронным электроприводом

Для функционирования системы привода необходима качественная система управления, частотная или векторная [9]. Такая система должна обеспечивать оптимальный по потерям режим работы двигателей во всех диапазонах частот вращения, электромагнитных моментов, скольжений, индукций и т.д. Однако для тяговых приводов необходимо также учитывать критерий максимального использования имеющихся ресурсов, прежде всего максимальных напряжения питания и тока, которые ограничиваются установленной мощностью силового преобразователя. Требуется, чтобы асинхронный тяговый двигатель мог бы реализовать максимально возможные значения момента, пусть даже и не в режиме максимального КПД, если при данном моменте оптимальный по КПД режим невозможно реализовать при определенных ограничениях напряжения и тока.
К точности регулирования момента или частоты вращения и к динамике протекания процессов в транспортном приводе жестких требований обычно не предъявляется.
Общепринятым описанием, адекватно отражающим статические и динамические процессы, является модель асинхронного двигателя (АД) на базе обобщенной электрической машины, разработанная Парком. Для учета наиболее существенных явлений в реальной машине принимается ряд упрощающих предположений, в рамках которых сохраняются основные физические особенности процессов: симметричность, равномерность зазора и распределения обмоток, распределения магнитного поля при пренебрежении краевыми эффектами, ненасыщенность магнитного материала и др. Уравнения Парка широко известны [10], и мы не будем приводить их в статье.
Заметим, что общепринятой модели электромагнитных процессов в АД, в которой учитывалось бы насыщение, гистерезис, вихревые потери и т.д., в настоящее время не существует. Насыщенный магнитный материал анизотропен, его поведение при вариациях внешнего поля по направлениям, изменяющим уровень насыщения (вдоль поля) и при повороте вектора поля (т.е. без изменения его величины, ортогонально полю) имеет качественные различия. Следовательно, строго говоря, заведомо несправедлив принцип суперпозиции, на использовании которого основан переход к эквивалентной обобщенной электрической машине и вывод уравнений Парка.
В уравнениях Парка присутствуют значения сопротивлений статора и ротора, индуктивностей статора и ротора и взаимоиндуктивности. Значения этих параметров (параметров схемы замещения) считаются постоянными. Параметры схемы замещения могут определяться разработчиками и изготовителями двигателей по геометрии активной части, характеристикам материалов и обмоточным данным по расчетной модели двигателя. Однако изготовители двигателей не предоставляют таких сведений. Разработчикам регулируемых приводов, которым необходима информация о параметрах АД как объекта управления, ничего не остается, как создавать методы экспериментальной идентификации параметров АД по измерениям напряжения, тока, электромагнитного момента и частоты вращения ротора.
Задача идентификации традиционно понималась как задача определения по результатам измерений параметров схемы замещения. Однако показано [11], что такая постановка несостоятельна: одним и тем же измеряемым значениям напряжений, токов, моментов и частот вращения соответствует не один АД (в смысле конкретных значений параметров схемы замещения), а множество АД с отличающимися значениями индуктивностей рассеяния и взаимоиндукции (при сохранении значения обобщенного рассеяния) и значениями сопротивления ротора (при сохранении значения постоянной времени ротора). Видимо, именно этим обстоятельством объясняется отсутствие общепринятой методики экспериментальной идентификации параметров АД.
Уравнения Парка будут иметь более простой вид, если их записывать относительно формально введенных переменных фиктивных фаз, направляющие орты которых для статора и ротора совпадают (при этом отпадает необходимость учитывать взаимное положение обмоток неподвижного статора и вращающегося ротора). Выбор фиктивных фаз для АД с короткозамкнутым ротором чаще всего ограничивается двумя вариантами:
а) Система координат, связанная с фиктивными фазами, неподвижна (система (α,β)). Приведенные переменные статора в этом случае совпадают с переменными обобщенной машины, а фазные переменные ротора преобразуются к неподвижным осям координат. Неподвижная система координат удобна при синтезе частотного управления приводом, т.е. при управлении амплитудой и частотой питающего напряжения.
б) Система фиктивных фаз ориентирована по вектору потокосцепления (чаще по направлению потокосцепления ротора, система (d,q)). Использование вращающейся системы координат позволяет в статике оперировать постоянными значениями всех переменных, что в некоторых случаях помогает указать рациональную процедуру синтеза регулятора. Система (d,q) используется при синтезе систем векторного управления приводом, при независимом управлении величиной магнитного поля и электромагнитным моментом.
Длительность переходных электромагнитных процессов в АД, как правило, намного меньше, чем длительность переходных процессов режима движения транспортного средства, и даже меньше, чем типовое время изменения тягового момента. Это дает основание для того, чтобы рассматривать АД как статический объект (с соответствующими требованиями к системе управления, устанавливающей оптимальный статический режим его работы). Характеристики статического режима АД при его питании фиксированной амплитудой и частотой хорошо изучены: это т.н. нагрузочная характеристика асинхронного двигателя — зависимость момента от частоты вращения ротора.
При частотном управлении АД связи между амплитудой и частотой, с одной стороны, и электромагнитным моментом, с другой, существенно нелинейны, что приводит к сложности в обеспечении устойчивости замкнутого контура, особенно в динамических процессах. «Правильно» организованный привод с частотным управлением позволяет регулировать тяговый и тормозной момент на валу привода во всем диапазоне скоростей, реализуя режим, близкий к минимальному по потерям.
При векторном управлении раздельно управляют двумя компонентами вектора тока: током намагничивания и активным током; управление АД при этом в известном смысле аналогично управлению двигателем постоянного тока: возбуждением по току намагничивания и току якоря по активной составляющей тока. Векторное управление характеризуется более сложным алгоритмом регулирования из-за необходимости векторных преобразований переменных (впрочем, для современных процессорных контроллеров сложность вычислений не представляет затруднения). Поскольку каналы регулирования момента и поля при векторном управлении разделены, можно организовывать любую желаемую связь между этими регулируемыми величинами. Быстродействие приводов с векторным управлением можно реализовать предельным (в отличие от частотного управления) или искусственно уменьшить в регуляторе, например, с целью повышения помехозащищенности привода. Векторное управление, несомненно, более перспективно для любых применений, в т.ч. в тяговом приводе.
Принципы синтеза цифрового (процессорного) управления тяговым приводом [9]:
a) использование разностной модели процессов;
б) оценка неизмеряемых непосредственно переменных с соответствующей фильтрацией;
в) асимптотическое регулирование для снижения влияния шумов в измерениях;
г) использование прогнозаторов переменных для компенсации запаздывания, возникающего из-за конечной скорости вычислений в микропроцессорном контроллере;
д) идентификация параметров двигателя.
Получение информации о значениях параметров АД, как уже отмечалось, представляет собой определенную трудность. Чувствительность систем привода к вариациям параметров, определение необходимой точности не исследованы в полной мере. В этих условиях разработка методов экспериментальной, а в последующем — автоматической идентификации параметров АД представляется абсолютно необходимой. К настоящему времени практически закончены экспериментальные (стендовые) исследования настройки приводов по параметрам АД как с частотной, так и с векторной системами управления. По результатам экспериментов можно сделать некоторые выводы. Выявлено, что параметры АД значительно изменяются — влияет насыщение стали (изменение параметров до 50% в функции величины поля); потери в стали, особенно частотные (изменение параметров до 20% в функции скорости (частоты напряжения питания) и величины тока, в т.ч. активного); температура (рабочий диапазон температур электрических машин –40…150° соответствует примерно 50% изменению параметров). В совокупности диапазон изменения параметров составляет более 1:2,5.
Данные экспериментов и полученные зависимости изменения параметров АД от режима работы двигателя (от величины поля, от частоты питания, от температуры и т.д.) использованы в практических системах приводов. Ниже (см. рис. 3) приведены данные стендовых испытаний комплекта тягово-энергетического оборудования (КТЭО) трактора ЭТ-300 ЦП-5 на предельных режимах (максимальный момент АЭП 1200 Нм, максимальная мощность АЭП 183 кВт, максимальная мощность МГ 220 кВт при моменте 1200 Нм и скорости 1700 об/мин). Приведен совокупный КПД системы МГ-СП-СП-АД с векторной системой управления после экспериментальной идентификации параметров и оптимизации режима работы двигателей. КПД системы определялся от вала ДВС до вала АД. Максимальный КПД сохраняется в широком диапазоне частот вращения, что свидетельствует об оптимальной настройке приводов.

Рис. 3. КПД тягового двигателя в функции частоты вращения на предельной характеристике
Синтез управления комплектным тягово-энергетическим оборудованием (КТЭО)

Комплект электроприводов, ДВС, буферный накопитель, трансмиссия как объект управления представляет сложную взаимосвязанную нелинейную динамическую систему [12]. В такой системе должен выполняться ряд ограничений на управления и переменные состояния: ограничение напряжений питания двигателей, токов, моментов, частот вращения, диапазонов изменения напряжения звена постоянного тока. Для управления КТЭО, очевидно, необходима разработка специальных алгоритмов, обеспечивающих автономную работу отдельных устройств и устойчивое согласованное управление всеми устройствами КТЭО, включая ДВС. Существенным фактором является неопределенность исходных параметров движения: требуемая тяговая мощность заранее не известна, она определяется текущими условиями движения и выбором водителя; имеющийся резерв мощности также заранее не известен или известен недостаточно точно (максимальная мощность ДВС зависит от многих факторов, таких как качество топлива, атмосферное давление и влажность воздуха, температура, наконец, состояние (износ) ДВС и т.д.). Изменяется также уровень потерь и КПД тягово-энергетического оборудования, изменяется мощность вспомогательных бортовых устройств. В этих условиях следует обеспечить баланс мощностей автоматически, не требуя точных данных о состоянии и режиме работы устройств.
Заметим, что необходимо одновременно управлять АЭП (выполнять команды водителя с учетом текущих условий движения), МГ (стабилизировать напряжение ЗПТ в системе без буферного накопителя или управлять мощностью заряда буферного накопителя при его наличии) и ДВС (обеспечивать режим максимальной топливной эффективности за счет выбора соответствующего значения скорости вращения ДВС). При этом следует соблюсти условие баланса мощностей, различные ограничения, в т.ч. исключить перегрузку ДВС по моменту (отметим, что максимальный момент ДВС неопределен, что наиболее существенно сказывается в зоне малых частот вращения ДВС вблизи оборотов холостого хода).
Ограничение момента АЭП и МГ осуществляется по следующим аргументам:
– величина напряжения звена постоянного тока (ЗПТ);
– скорость вращения NАЭП;
– скорость вращения NМГ;
– отклонение частоты вращения ДВС от заданной (при непосредственном соединении валов ДВС и МГ равной NМГ).
Цель ограничения по величине напряжения ЗПТ — не допустить «выхода» напряжения ЗПТ за определенные границы рабочего диапазона. Средство — при повышении напряжения ЗПТ выше допустимого ограничиваются генераторные моменты МГ и АЭП, т.е. снижается мощность, «закачиваемая» этими двигателями в ЗПТ; при снижении ограничиваются двигательные моменты МГ и АЭП, т.е. снижается мощность, потребляемая двигателями из ЗПТ. Цель ограничения активного тока АЭП по скорости вращения NТАД — не допустить «выхода» частоты вращения АЭП за определенные границы рабочего диапазона. Средство — при выходе частоты вращения за границы диапазона ограничивается двигательный момент АЭП. Цель ограничения активного тока МГ по скорости вращения NМГ — не допустить «выхода» частоты вращения ДВС-МГ за границы рабочего диапазона. Средство — при превышении частоты вращения за границу диапазона ограничивается двигательный момент МГ, при снижении — генераторный. Цель ограничения момента МГ по отклонению скорости вращения NМГ от заданной — обеспечить «выход» ДВС на заданную частоту вращения. Средство — при превышении отклонения ошибки регулирования скорости ДВС ограничивается генераторный (или, соответственно, двигательный) момент МГ.
Ограничение моментов осуществляется с помощью формирования множительных коэффициентов, значения которых выбираются в диапазоне [0, 1] пропорционально расположению ограничивающего параметра (напряжения ЗПТ и скорости двигателей в зоне ограничений: 1 соответствует началу действия ограничения, 0 — полному ограничению момента). Такая система реализует «мягкое» ограничение момента при приближении к границам рабочего диапазона напряжений и частот вращения. «Мягкое» в том смысле, что вследствие инерционности ЗПТ, тока и частоты вращения значения электромагнитного момента АЭП и МГ «плавно» устанавливаются такими, при которых ограничиваемые переменные остаются в рабочем диапазоне. Отметим, что при этом АЭП либо выполняет команду водителя, либо потребляет ровно столько мощности, сколько может обеспечить ДВС-МГ на тягу (за вычетом мощности других потребителей).
Управление потоками мощности в системе без буферного накопителя (точнее, без явно выраженного буферного накопителя: в ЗПТ всегда присутствует фильтрующая емкость, которой, возможно, недостаточно для обеспечения существенного передвижения транспортного средства) обеспечивается только лишь за счет ограничения двигательного и генераторного моментов в МГ и АЭП в функции напряжения звена постоянного тока; информации о текущем значении этого напряжения оказывается вполне достаточно для автоматического выполнения условия баланса мощностей. Отметим, что в системе без буферного накопителя любые изменения мощности АЭП требуют немедленной компенсации генерируемой мощностью МГ. Для этого быстродействие привода МГ (вернее, системы МГ-ДВС) должно, очевидно, превышать быстродействие тягового привода. Достичь этого можно при использовании в приводе МГ векторного управления. В АЭП можно использовать привод с ограниченной динамикой или при соответствующей фильтрации сигнала задания момента (последнее, впрочем, вследствие достаточно большой полосы пропускания АЭП практически не сказывается на приемистости тягового привода). Привод МГ при этом работает в режиме регулятора напряжения ЗПТ, ДВС (с контроллером ДВС) — в режиме регулирования частоты вращения по сигналу задания, формируемому в соответствии с оптимальной зависимостью частот от мощности, потребляемой МГ (с учетом мощности вспомогательных бортовых систем).
В системе с буферным накопителем динамика систем ДВС-МГ и системы АЭП становится независимой, поскольку буферный накопитель разделяет эти системы: напряжение буферного накопителя не может существенно измениться на малом временном интервале. Разумеется, это упрощает синтез управления МГ и АЭП, однако возникает вопрос об организации управления системой ДВС-МГ. Принципы организации управления потоками мощности в системе с буферным накопителем следующие.
1. ДВС должен работать в области рабочих режимов, для которой частота и момент ДВС жестко связаны. Это позволяет снизить потребление топлива и выбросы. Обеспечение требуемой зависимости момента от частоты вращения обеспечивается за счет задания момента МГ в функции частоты вращения.
2. Изменение режима работы ДВС должно происходить квазистатически (достаточно медленно), что дополнительно позволит экономить топливо и снизит выбросы. Для обеспечения квазистатического изменения режимов темп изменения задания частоты вращения на контроллер ДВС должен ограничиваться. При этом момент ДВС примерно равен моменту МГ (формируемому по рабочей области ДВС).
Регулирование потоков мощности осуществляется контроллером верхнего уровня (КВУ). Одновременно КВУ должен обеспечивать связь с органами управления, индикацию основных параметров движения.

Вспомогательные системы

Вспомогательные системы непосредственно не выполняют основных функций обеспечения движения гибридного транспортного средства, однако без выполняемых ими обеспечивающих функций работа основного оборудования невозможна. Кроме того, необходимо обеспечить контроль, диагностику и поиск неисправностей, по возможности сократив требуемое для восстановления системы время.
К вспомогательным системам КТЭО относятся:
– источники питания электронного оборудования;
– устройства систем охлаждения;
– коммутирующие устройства;
– информационное табло в кабине водителя;
– сервисная вычислительная система.
Несмотря на вспомогательные функции, к источникам питания компонентов КТЭО предъявляются очень жесткие требования по надежности, эффективности, массо-габаритным показателям, стоимости. Не менее сложной является задача создания эффективных, компактных и надежных систем охлаждения компонентов КТЭО — электрических машин, силовой электроники.
Источникам питания собственных нужд и системам охлаждения элементов КТЭО будет посвящена отдельная статья.
Основная функция информационного табло — снабжать водителя необходимой информацией о режимах управления, режимах движения и состоянии отдельных устройств. Такая информация должна быть хорошо организована и строго дозирована: нельзя перегружать водителя «лишней» информацией. В то же время табло должно являться «советчиком» водителя: индицируются рекомендации по состоянию органов управления и рекомендации о необходимых последующих действиях (при автоматическом игнорировании ошибочных команд).
КТЭО гибридного транспортного средства является сложной системой. При всей сложности КТЭО алгоритмы управления оборудованием КТЭО, управления движением должны быть направлены на упрощение управления.
Для сопровождения, наладки и диагностики ошибок в сложной системе оборудования КТЭО необходима специальная сервисная вычислительная система, предназначенная для визуализации параметров рабочих характеристик КТЭО; предоставления и обработки графической информации; загрузки, сохранения и отображения в графической и табличной форме переменных всех компонентов КТЭО: КВУ, МГ, накопителя, ДВС и АЭП; записи, сохранения и последующего отображения аварийных логов («черный ящик»). Сервисная вычислительная система должна в значительной мере упростить процесс наладки и контроля КТЭО, а также ускорить поиск и устранение неисправностей.

Выводы

Тяговый электропривод является одним из основных узлов электротранспортных средств. Его характеристики во многом определяют характеристики транспортного средства в целом. Развитие тягового электропривода проходит на основе предельно высоких технико-экономических требований. Можно с полным основанием утверждать, что в тяговом электроприводе в настоящее время реализуется комплекс самых последних достижений в области электромеханики, силовой и управляющей электроники, управления.
Обращают на себя внимание следующие факты.
1. Западные фирмы, обладая высоким уровнем технологии производства в электротехнической и машиностроительной отраслях, часто используют высокоскоростные двигатели, снабженные точными подшипниковыми узлами, сложными многоступенчатыми редукторами и механическими передачами.
2. Довольно большое число приводов для малых и средних транспортных средств выполнено на основе синхронного привода с возбуждением от высокоэффективных редкоземельных постоянных магнитов (на базе сплава ниодим-железо-бор).
3. Многие фирмы применяют интегрированные узлы, объединяющие двигатели, преобразователи, механические передачи, встроенные тормозные системы и системы охлаждения, силовые и электронные управляющие устройства — мехатронные модули движения. Специалисты видят в них перспективу и основное средство удешевления приводных систем, повышения их показателей.
Российские организации в состоянии самостоятельно создать и организовать производство электроприводов, не уступающих мировому уровню [13, 14]. Основаниями для проведения разработок современных отечественных приводов являются наличие:
– отечественных методик проектирования электрических двигателей для регулируемого привода, позволяющих выявлять их предельные возможности, проектировать активную часть приводов с существенно улучшенными массо-габаритными показателями и высокой эффективностью электромеханического преобразования;
– методик идентификации параметров асинхронных двигателей и определения оптимальных режимов работы;
– современной электронной силовой и управляющей элементной базы у отечественных разработчиков, позволяющей заниматься проектированием на высоком техническом уровне;
– технологий и производственных мощностей для производства электромеханических и механических элементов привода, т.е. электродвигателей, тормозных, рулевых, охлаждающих и т.д. систем.
Основными стратегическими положениями при создании и внедрении науко­емких компонентов для гибридной техники являются:
– выделение наиболее перспективных направлений работ с учетом мирового опыта;
– концентрация финансовых средств на экономически приоритетных (конкурентоспособных) и стратегических проблемах, по которым российские организации имеют приоритет, а также заделы, превосходящие мировой уровень, и технологический потенциал;
– сотрудничество с ведущими инофирмами по организации совместных разработок компонентов, эксплуатации и совместного производства компонентов и транспортной техники;
– комплексный подход, который подразумевает привлечение специалистов по системному проектированию, управлению, силовой и управляющей электронике, электроприводу, электромеханике, электрохимии, сертификации, производству, сервису, менеджменту, маркетингу, рекламе, дизайну, безопасности, материаловедению и т.д.
– унификация разрабатываемых компонентов, интегрированных систем для техники различного типажа и назначения.
Улучшение качества компонентов и транспортных средств требует разработки четкой программы стандартизации [15]. Без стандартов невозможно оценивать качество, а без их постоянного развития невозможно улучшать качество. Международные соглашения, такие как «Соглашение по торговле и тарифам» (GATT), определяют, что все подписавшие их страны будут использовать международные стандарты в тех случаях, когда таковые существуют. Для того чтобы новые технологии успешно внедрялись, необходимо, чтобы разрабатывались новые стандарты, причем на стадии проведения НИР и НИОКР по новой технике. В дальнейшем эти стандарты понадобятся для внедрения новых технологий на рынок наиболее эффективным путем. Необходима гармонизация отечественных стандартов с международными.
В заключение заметим, что время для организации демонстрационных проектов, доказывающих возможность и целесообразность создания гибридных транспортных средств, прошло, демонстрировать и доказывать уже ничего не требуется: в мире уже созданы и находятся не только в опытной, но и в коммерческой эксплуатации многие сотни тысяч гибридных транспортных средств различного назначения. Вопрос на сегодняшний день заключается в создании промышленных прототипов и организации промышленного производства таких средств. Об опыте создания гибридных транспортных средств и транспортных средств с электромеханическими трансмиссиями в концерне «Русэлпром» читайте в следующих номерах журнала.

Литература
9. Д.Б. Изосимов. Новые подходы к синтезу цифрового управления электроприводом переменного тока//Приводная техника, №4, 1997, стр. 8—14.
10. R. Park, B. Robertson. The reactances of synchronous machines.//Tr. AIEE, 1928,vol. 47.
11. Д.Б. Изосимов, Е.Н. Аболемов. Свойства уравнений обобщенного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором//Электричество, №4, 2008 г., с. 35—40.
12. Stanislav N. Florentsev. Traction Electric Equipment Set for AC Electric Transmission Various Vehicles//Proceedings of International Exhibition & Conference “Power Electronics, Intelligent Motion”. Power Quality (PCIM-2009). 12– 4 May 2009. Nurenberg. Germany. P. 625—627.
13. И.П. Ксеневич, А.А. Ипатов, Д.Б. Изосимов. Технологии гибридных автомобилей: состояние и пути развития отечественной автомобильной техники с комбинированными энергоустановками//Мобильная техника, №№ 2—3, 2003 г.
14. Stanislav N. Florentsev. From Russia with Automotive. AC electric drive of a hybrid city bus//Power System Design Europe. July/August 2009. P. 50—51.
15. Van den Bossche Peter, CITYLEC. A View On Current Trends In Electric Vehicle Standardization//EVS-15, Brussels, October 1—3, 1998. CD-ROM, Paper No. 316.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *