Способ управления стартер-генератором
Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам управления стартер-генераторными установками транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания. Способ управления стартер-генератором на основе синхронной машины с электромагнитным возбуждением основан на введении новой переменной управления, с помощью которой формируются заданные значения токов возбуждения и составляющих вектора тока статора в частотно-токовой системе управления. Техническим результатом изобретения является оптимизация использования работы машины с минимальными потерями как в стартерном, так и в генераторном режимах, и предельное использование габаритной мощности электрической машины и установленной мощности ключевых элементов силового преобразователя. 3 ил.
Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам управления стартер-генераторными устройствами транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания.
Известно устройство (Вершигора В. А. , Игнатов А.П. и др. Автомобиль ВАЗ-2108. - М.: ДОСААФ, 1986, стр. 194), в котором для поддержания в заряженном состоянии бортовой аккумуляторной батареи автомобиля используется синхронная машина с электромагнитным возбуждением. Недостатком этого устройства является отсутствие возможности запуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с помощью этой синхронной машины. Известно также устройство (европейский патент 0406182 В1, кл. F 02 N 11/04, 1992), в котором синхронная машина с постоянными магнитами используется и для запуска ДВС и для заряда бортовой аккумуляторной батареи, т.е. она выполняет функции стартера и генератора. Недостатком этого устройства является отсутствие электромагнитного возбуждения и блока оптимизации режимов работы синхронной машины в условиях ограничения по току и напряжению питания для оптимального использования габаритной мощности синхронной машины и установленной мощности силового преобразователя. Наиболее близким техническим решением является устройство (см. [1], стр. 104), в котором синхронная машина с электромагнитным возбуждением работает в частотно-токовой системе автоматического регулирования с номинальным потокосцеплением статора и коэффициентом мощности, равным или близким к единице, во всем диапазоне изменения нагрузок и регулирования скорости за исключением второй зоны (режим ослабления поля). Недостатком этого устройства является работа с неизменным потокосцеплением статора, что не позволяет полностью использовать синхронную машину по мощности и максимально допустимому току и напряжению во всем диапазоне скоростей и нагрузок. Кроме того, не обеспечивается режим минимизации потерь, когда текущие значения скоростей и нагрузок могут быть реализованы не при предельных значениях тока и напряжения. Решение технической задачи направлено на оптимизацию использования габаритной мощности электрической машины и установленной мощности ключевых элементов силового преобразователя. Для решения поставленной технической задачи измеряют текущее значение скорости синхронной машины с электромагнитным возбуждением, сравнивают его с заданным и по величине отклонения формируют заданные значения токов в функции поддержания коэффициента мощности равным или близким к единице, которые затем формируют в обмотках машины с помощью системы частотно-токового управления, вводя при этом новую переменную, коэффициент связи, равную отношению продольной составляющей вектора потокосцепления статора к произведению текущего значения поперечной составляющей вектора тока статора на величину продольной составляющей полной индуктивности статора, определяют ее значение, обеспечивающее минимальные потери в меди машины при фиксированном моменте, и формируют заданные значения продольной составляющей вектора тока статора в виде отрицательного значения частного от деления произведения текущего значения поперечной составляющей вектора тока статора на величину поперечной составляющей полной индуктивности статора на произведение коэффициента связи на продольную составляющую полной индуктивности статора, а заданные значения тока возбуждения формируют в виде произведения текущего значения поперечной составляющей вектора тока статора на сумму двух слагаемых, первое из которых равно частному от деления произведения коэффициента связи и величины продольной составляющей полной индуктивности статора на величину продольной составляющей взаимной индуктивности обмоток статора и ротора, а второе слагаемое равно частному от деления величины поперечной составляющей полной индуктивности статора на произведение коэффициента связи и величины продольной составляющей взаимной индуктивности обмоток статора и ротора, при этом заданное значение поперечной составляющей вектора тока статора формируют в стартерном режиме в функции отклонения текущего значения скорости от заданного значения, а в генераторном - в функции отклонения текущего значения напряжения бортовой аккумуляторной батареи от заданного значения, причем, если в любом из режимов работы текущее значение модуля вектора напряжения статора достигнет граничного значения, то монотонно уменьшают коэффициент связи в функции поддержания текущего значения модуля вектора напряжения статора на граничном уровне, если же текущее значение модуля вектора тока статора достигнет граничного значения, то монотонно увеличивают коэффициент связи в функции поддержания текущего значения модуля вектора тока статора на граничном уровне, в случае же, когда текущее значение развиваемой машиной мощности достигает предельно допустимую мощность бортовой аккумуляторной батареи, то монотонно уменьшают заданное значение поперечной составляющей вектора тока статора в функции поддержания развиваемой машиной мощности на предельно допустимом уровне для бортовой аккумуляторной батареи, при этом переход в стартерный режим производят при наличии сигнала датчика нажатого состояния педали акселератора автомобиля и низкого значения скорости, а переход в генераторный режим производят при высоком значении скорости и наличии сигнала датчика нажатого состояния педали акселератора автомобиля. Устройство управления стартер-генератором на базе синхронной машины с электромагнитным возбуждением, реализующее данный способ, содержит блок формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, подключенный через регулятор тока возбуждения к обмотке возбуждения, а через последовательно включенные блок преобразования координат, силовой преобразователь с частотно-токовой системой управления и датчики фазного тока - к фазным обмоткам; формирователь гармонических функций, механически связанный с ротором синхронной машины и подключенный своими выходами ко вторым входам блока преобразования координат; датчик скорости, выход которого подключен ко второму входу первого блока сравнения, а первый вход этого блока подключен к выходу задатчика интенсивности; второй блок сравнения, подключенный первым входом к уставке напряжения бортовой аккумуляторной батареи, а вторым входом - к датчику напряжения бортовой аккумуляторной батареи, подключенной к соответствующим входам питания регулятора тока возбуждения и силового преобразователя, при этом выходы первого и второго блоков сравнения подключены соответственно к первому и второму входам блока коммутации, выход которого подключен к первому входу блока формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, причем второй вход этого блока подключен к выходу датчика скорости, третьи входы подключены к выходам датчиков фазного напряжения, четвертые входы подключены к выходам датчиков фазного тока, пятый и шестой входы подключены к выходам формирователя гармонических функций, а управляющий вход блока коммутации подключен к выходу логического элемента И, первый вход которого через первый компаратор подключен к выходу датчика скорости, а второй вход через второй компаратор подключен к датчику нажатого состояния педали акселератора автомобиля, причем выход второго компаратора подключен также ко входу задатчика интенсивности. Блок формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям в составе описанного устройства содержит блоки вычисления входной мощности модуля вектора напряжения и тока статора, блок вычисления поперечной составляющей вектора тока статора, блок ограничения коэффициента связи, три блока суммирования, три блока сравнения, три пропорциональных регулятора, три блока масштабирования, блок задания постоянных сигналов, блок вычисления модуля, блок ограничения минимального значения, блоки деления и умножения, при этом выход блока вычисления входной мощности через первый блок сравнения и первый пропорциональный регулятор соединен с первым входом первого блока суммирования, второй вход которого является первым входом блока формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям и подключен к выходу блока коммутации, а его выход подключен к одному из вторых входов блока преобразования координат, выходы датчиков фазных напряжений статора через последовательно включенные блок вычисления модуля вектора напряжения, второй блок сравнения и второй пропорциональный регулятор подключены к первому входу второго блока суммирования, второй вход которого подключен к блоку задания постоянного сигнала, а третий вход через последовательно включенные третий пропорциональный регулятор, третий блок сравнения и блок вычисления модуля вектора тока статора связан с соответствующими выходами формирователя гармонических функций, выходами датчиков фазного тока статора и входами блока вычисления поперечной составляющей вектора тока статора, выход которого через блок вычисления модуля подключен к первым входам блоков деления и умножения, вторые входы которых через блок ограничения коэффициента связи подключены к выходу второго блока суммирования, причем второй вход блока ограничения коэффициента связи подключен к выходу датчика скорости, а выход блока деления через первый блок масштабирования подключен к одному из вторых входов блока преобразования координат, а через второй блок масштабирования - к первому входу третьего блока суммирования, второй вход которого через третий блок масштабирования соединен с выходом блока умножения, а выход третьего блока суммирования через блок ограничения минимального значения подключен ко входу регулятора тока возбуждения, при этом выходы блока задания постоянных сигналов подключены к соответствующим входам блоков сравнения, а входы блока вычисления входной мощности подключены к выходам блоков вычисления модулей векторов напряжения и тока статора. На фиг.1 изображена структурная схема устройства управления стартер-генератором на базе синхронной машины с электромагнитным возбуждением; на фиг. 2 - структурная схема блока формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям; на фиг. 3 - предельные механические характеристики в стартерном режиме. Структурная схема устройства управления стартер-генератором на базе синхронной машины 1 с электромагнитным возбуждением содержит блок 2 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, подключенный через регулятор 3 тока возбуждения к обмотке возбуждения, а через последовательно включенные блок 4 преобразования координат, силовой преобразователь 5 с частотно-токовой системой управления и датчики 6 фазного тока - к фазным обмоткам; формирователь 7 гармонических функций, механически связанный с ротором синхронной машины 1 и подключенный своими выходами ко вторым входам блока 4 преобразования координат; датчик 8 скорости, выход которого подключен ко второму входу первого блока 9 сравнения, а первый вход этого блока подключен к выходу задатчика 10 интенсивности; второй блок 11 сравнения, подключенный первым входом к уставке 12 напряжения бортовой аккумуляторной батареи, а вторым входом - к датчику 13 напряжения бортовой аккумуляторной батареи, подключенной к соответствующим входам питания регулятора 3 тока возбуждения и силового преобразователя 5, при этом выходы первого 9 и второго 11 блоков сравнения подключены соответственно к первому и второму входам блока 14 коммутации, выход которого подключен к первому входу блока 2 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, причем второй вход этого блока подключен к выходу датчика 8 скорости, третьи входы подключены к выходам датчиков 15 фазного напряжения, четвертые входы подключены к выходам датчиков 6 фазного тока, пятый и шестой входы подключены к выходам формирователя 7 гармонических функций, а управляющий вход блока 14 коммутации подключен к выходу логического элемента 16 И, первый вход которого через первый компаратор 17 подключен к выходу датчика 8 скорости, а второй вход через второй компаратор 17 подключен к датчику 19 нажатого состояния педали акселератора автомобиля, причем выход второго компаратора 18 подключен также ко входу задатчика 10 интенсивности. Блок 2 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям, первый выход которого подключен ко входу регулятора 3 тока возбуждения, а вторые выходы подключены к первым входам блока 4 преобразования координат, содержит блоки вычисления входной мощности 20, модуля вектора напряжения 21 и тока 22 статора, блок 23 вычисления поперечной составляющей вектора тока статора, блок 24 ограничения коэффициента связи, три блока 25, 26 и 27 суммирования, три блока 28, 29 и 30 сравнения, три пропорциональных регулятора 31, 32 и 33, три блока 34, 35 и 36 масштабирования, блок 37 задания постоянных сигналов, блок 38 вычисления модуля, блок 39 ограничения минимального значения, блоки деления 40 и умножения 41, при этом выход блока 20 вычисления входной мощности через первый блок 27 сравнения и первый пропорциональный регулятор 30 соединен с первым входом первого блока 25 суммирования, второй вход которого является первым входом блока 2 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора по продольной и поперечной осям и подключен к выходу блока 14 коммутации, а его выход подключен к одному из вторых входов блока 4 преобразования координат, выходы датчиков 15 фазных напряжений статора через последовательно включенные блок 21 вычисления модуля вектора напряжения, второй блок 29 сравнения и второй пропорциональный регулятор 32 подключены к первому входу второго блока 26 суммирования, второй вход которого подключен к блоку 37 задания постоянного сигнала, а третий вход через последовательно включенные третий пропорциональный регулятор 33, третий блок 30 сравнения и блок 22 вычисления модуля вектора тока статора связан с соответствующими выходами формирователя 7 гармонических функций, выходами датчиков 6 фазного тока статора и входами блока 23 вычисления поперечной составляющей вектора тока статора, выход которого через блок 38 вычисления модуля подключен к первым входам блоков деления 40 и умножения 41, вторые входы которых через блок 24 ограничения коэффициента связи подключены к выходу второго блока 26 суммирования, причем второй вход блока 24 ограничения коэффициента связи подключен к выходу датчика 8 скорости, а выход блока 40 деления через первый блок 34 масштабирования подключен к одному из вторых входов блока 4 преобразования координат, а через второй блок 35 масштабирования - к первому входу третьего блока 27 суммирования, второй вход которого через третий блок 36 масштабирования подключен к выходу блока 41 умножения, а выход третьего блока 27 суммирования через блок 39 ограничения минимального значения подключен ко входу регулятора 3 тока возбуждения, при этом выходы блока 27 задания постоянных сигналов подключены к соответствующим входам блоков 28, 29 и 30 сравнения, а выходы блока 19 вычисления входной мощности подключены к выходам блоков 21, 22 вычисления модулей векторов напряжения и тока статора. Работа устройства, реализующего предлагаемый способ управления, осуществляется следующим образом. При нажатии водителем на педаль акселератора датчик 19 выдает сигнал и компаратор 18 переключается, выдавая единичное напряжение на первый вход логического элемента 16 И и на вход задатчика 10 интенсивности. Напряжение на выходе задатчика интенсивности начинает монотонно возрастать, поступая через блок 14 коммутации на первый вход блока 2 формирования заданных значений тока возбуждения и составляющих вектора тока статора. Выходной сигнал с первого выхода этого блока поступает на вход регулятора 3 возбуждения, который формирует требуемые значения тока в обмотке возбуждения, а сигналы со второго и третьего выходов поступают на первые входы блока 4 преобразования координат. После умножения на гармонические функции углового положения ротора синхронной машины 1 и соответствующего суммирования они превращаются в заданные значения iz













Развиваемый машиной момент М равен
M =


Так как


где Rs и Rf - активные сопротивления обмоток статора и обмотки возбуждения соответственно. Из уравнения (5) видно, что существует такое значение коэффициента связи (будем называть его Копт), при котором потери в меди минимальны. Это значение коэффициента связи всегда можно получить из условия
dPм/dK=0
Так как в реальных системах всегда существуют ограничения, налагаемые на величину напряжения и фазного тока силового преобразователя, то целесообразно получить зависимость

Ud = Rsid-


Uq = Rsiq+


Из уравнений (1), (4) и (6) получаем

Знак "+" соответствует двигательному режиму работы, а "-" - генераторному. Для расчета зоны возможной работы машины с минимумом потерь в меди можно построить кривую




Pmax = -Rs|Is|2max

Уравнению (8) соответствует гипербола на фиг.3. Значения коэффициента связи, соответствующие гиперболе (будем обозначать их Кгр), обратно пропорциональны угловой скорости вращения ротора и определяются из (7) при |Us| = |Us|max и |Is| = |Is|max

Таким образом, из фиг. 3 видно, что в отношении величины коэффициента связи К имеется три зоны. Зона 1 ограничена осями



1. О. В.Слежановский, Л.Х.Дацковский, И.С.Кузнецов и др. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 256 с., ил. 2. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1980. - 928 с., ил.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3