СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИНДУКТОРНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ Российский патент 2005 года по МПК H02P8/12 H02K19/06 

Изобретение относится к способам управления индукторными двигателями, в том числе тяговыми, имеющими зубчатый статор и ротор.

Известен способ управления индукторным двигателем, заключающийся в том, что формируют фазные токи, для чего измеряют периоды датчика положения ротора, подают импульсы напряжения в интервале от 0 до 180 эл. град., отслеживая заданное значение фазного тока, например, способом “токовый коридор” (см. журнал “Электротехника” №6/98 на с.25-26, рис.2в и 4б).

При таком способе регулирования в интервалах от нуля эл. град. до 180/m эл. град. и от (180-180/m) эл. град. до 180 эл. град. (m - число фаз двигателя) под током находится две фазы индукторного двигателя одновременно. Мгновенный электромагнитный момент индукторного двигателя определяется суммой моментов отдельных фаз, находящихся под током одновременно. Момент входящей в работу фазы, складываясь с моментом выходящей из работы фазы, вызывают пульсации суммарного момента (см. журнал “Электричество” №10/2001 на с.34, рис.1б).

Наиболее близким по технической сущности является способ управления индукторным двигателем, заключающийся в том, что формируют токи в фазах двигателя, для чего измеряют периоды датчика положения ротора двигателя и внутри этого периода подают импульсы питающего двигатель напряжения в интервале от 0 до 180 эл. град. на фазные обмотки двигателя (см. Электровозостроение: сб. науч. тр. ОАО “Всероссийский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт электровозостроения”(ОАО “ВЭлНИИ”) - 2000. Т.42-324 с. на с.194 рис.3б и журнал “Электротехника” №6/98 на с.25-26 рис.2в и 4б).

Прямоугольные формы токов и в этом способе управления приводят к большим пульсациям суммарного момента.

Высокая частота и амплитуда пульсации результирующего момента могут стать главной причиной усталостных разрушений элементов тяговой передачи (см. книгу Бирюкова И.В., Беляева А.И., Рыбникова Е.К. Тяговые передачи электроподвижного состава железных дорог. - М.: Транспорт. 1986. – 256 с. на с.119).

Кроме того, пульсации момента приводят к вибрациям, шуму, а также могут препятствовать нормальному пуску тягового электропривода.

Задачей изобретения является снижение пульсаций момента за счет формирования фазных токов входящей и выходящей в работу фаз таким образом, чтобы сумма моментов, развиваемых этими фазами, была постоянной и равна моменту индукторного двигателя, задаваемого директивно или регулятором скорости.

Поставленная задача решается способом управления индукторным двигателем за счет формирования фазных токов путем подачи импульсов напряжения в течение каждого периода датчика положения ротора двигателя, для чего период измеряют и интервал от нуля до 180 эл. град. (двигательный режим) разбивают на m равных интервалов

θ₀ - начальный угол поворота ротора, соответствующий нулю эл. град.

θ_m - угол поворота ротора в конце интервала, соответствующий 180 эл. град.,

подают на входящую в работу фазу напряжение питания, измеряют в конце каждого интервала Δθ ток этой фазы и определяют создаваемый момент.

Создаваемый входящей в работу фазой двигателя момент определяют по формуле

где i_{вx n-1}, L_вх(θ_n-1, i_n-1) и i_{вх n}, L_вх(θ_n, i_n) - значение тока и индуктивности входящей в работу фазы двигателя в начале и в конце текущего интервала из m соответственно.

Тогда заданный момент выходящей из работы фазы определяют по формуле

М_{З вых}(θ_n+1)=М_З-М_вх(θ_n),

где М_З - заданное значение электромагнитного момента двигателя на следующем интервале.

Заданное значение тока этой фазы определяют по формуле

где θ_n+1 - значение угла поворота ротора двигателя в конце следующего интервала;

i_вых и L_вых(θ_n, i_n) - значение тока и индуктивности выходящей из работы фазы двигателя в конце текущего интервала соответственно;

L_вых(θ_n+1, i_n) - значение индуктивности выходящей из работы фазы в конце следующего интервала.

В начале каждого из m интервалов подают напряжение питания на выходящую из работы фазу двигателя и снимают при достижении током этой фазы заданного значения, причем, при достижении или превышении М_вх(θ_n) значения М_З напряжение питания на выходящую из работы фазу двигателя не подают, а на входящую в работу фазу двигателя в начале текущего интервала подают питающее напряжение и снимают при достижении током фазы значения

где i_вхn и L_вх(θ_n, i_n) - значение тока и индуктивности входящей в работу фазы двигателя в конце текущего интервала соответственно;

L_вх(θ_n+1, i_n) - значение индуктивности входящей в работу фазы в конце следующего интервала.

Предлагаемый способ управления индукторным двигателем путем формирования согласованного изменения токов во включаемой и отключаемой фазах двигателя на интервалах коммутации от нуля до 60 эл. град. и от 120 эл. град. до 180 эл. град. позволяет снизить пульсации электромагнитного момента на валу двигателя.

На фиг.1 показаны фазные токи, а на фиг.2 фазные и результирующий электромагнитные моменты двигателя НТИ-350 при способе управления, близком по технической сущности, рассчитанные на математической модели;

на фиг.3 изображено устройство для реализации предлагаемого способа;

на фиг.4 - алгоритм функционирования устройства;

на фиг.5 показаны фазные токи двигателя, а на фиг.6 показаны фазные и результирующий моменты всех фаз двигателя при реализации предлагаемого способа.

Способ осуществляют микропроцессорной системой, состоящей из блока таймеров 1, процессора 2, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 3, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 4, аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) 5, блока драйверов 6, транзисторного блока 7, управляющего индукторным двигателем 8, имеющего датчики положения ротора (ДПР) 9. Входы-выходы процессора 2, ОЗУ 3, ПЗУ 4, входы блока таймеров 1, блока драйверов 6 и выход АЦП 5 объединены шиной адресов-данных 10. Выход блока таймеров 1 и ДПР 9 соединены с шинами прерывания процессора 2. Токи двигателя 8 i поступают на вход АЦП 5. Выходы транзисторного блока 7, запитанного постоянным напряжением u, нагружены на обмотки индукторного двигателя 8.

Процессор, ОЗУ, ПЗУ, блок таймеров, АЦП могут быть, интегрированы в специализированный контроллер, например M167-1С (см. каталог продукции "Бортовая промышленная электроника" АО "Каскод", 105037 Москва, Измайловская пл., 7).

Способ реализуют алгоритмом, приведенным на фиг.4.

Алгоритм состоит из двух подпрограмм, которые запускают сигналами прерываний от ДПР 9 и блока таймеров 1-t_m.

Первая подпрограмма ДПР (фиг.4) начинается по переднему фронту сигнала от ДПР 9. Считывают значения кода Кт из таймера Т (блок 11), соответствующее периоду сигнала ДПР, и снова запускают таймер Т (блок 12). В блоке 13 определяют величину дискреты повторения вычислений значений токов и моментов Δθ делением содержимого таймера Кт на количество интервалов m

Δθ=Кт/m

после чего вводится заданное значение момента, например, через АЦП 5 (блок 14) и транзисторный блок ТБ (блок 7) подают напряжение на входящую в работу фазу (блок 15).

В блоке 16 запускают таймер “m” интервала повторения вычислений и номеру текущего интервала присваивается значение единицы (блок 17), после чего осуществляют выход из подпрограммы ДПР (блок 18).

Таймер “m” периодически выдает сигналы прерываний t_m, по которым выполняется вторая подпрограмма, в которой определяют необходимые значения токов и моментов входящей и выходящей из работы фаз двигателя. Для этого, вводится ток входящей в работу фазы i_{вх n} (блок 19), определяют значение индуктивности этой фазы (блок 20), определяют значение момента входящей в работу фазы по выражению (1) (блок 21)

где I_{вх n-1}, L_вх(θ_n-1, i_n-1) и i_вхn, L_вх(θ_n, i_n) - значение тока и индуктивности входящей в работу фазы двигателя в начале и в конце текущего интервала из m соответственно.

В блоке 22 определяют заданное значение момента выходящей из работы фазы, как разность между заданным моментом и моментом, развиваемым входящей в работу фазы двигателя

М_{З вых}(θ_n+1)=М_З-М_вх(θ_n),

где М_З - заданное значение электромагнитного момента двигателя на следующем интервале.

Если момент выходящей из работы фазы меньше или равен нулю (блок 23), то транзисторный блок ТБ (блок 7) снимает напряжение с выходящей из работы фазы и подает на входящую (блок 28), иначе определяют по формуле (2) заданное значение тока выходящей из работы фазы (блок 24)

где θ_n+1 - значение угла поворота ротора двигателя в конце следующего интервала;

i_выхn и L_вых(θ_n, i_n) - значение тока и индуктивности выходящей из работы фазы двигателя в конце текущего интервала соответственно;

L_вых(θ_n+1, i_n} - значение индуктивности выходящей из работы фазы в конце следующего интервала.

После чего осуществляют подачу напряжения на входящую и выходящую из работы фазы (блок 25).

В блоках 26 и 29 проверяется достижение заданных значений токами выходящей и входящей в работу фаз, соответственно, и, в случае достижения, ТБ (блок 7) снимает напряжение со всех фаз (блок 27). В блоке 30 значение “n” увеличивается на единицу и осуществляется выход из подпрограммы (блок 31).

В начале каждого из m интервалов подают напряжение питания на выходящую из работы фазу двигателя и снимают при достижении током этой фазы заданного значения, причем, при достижении или превышении М_вх(θ_n) значения M_З напряжение питания на выходящую из работы фазу двигателя не подают, а на входящую в работу фазу двигателя в начале текущего интервала подают питающее напряжение и снимают при достижении током фазы значения

где i_вхn и L_вх(θ_n, i_n) - значение тока и индуктивности входящей в работу фазы двигателя в конце текущего интервала соответственно;

L_вх(θ_n+1, i_n) - значение индуктивности входящей в работу фазы в конце следующего интервала.

Величина "m" (количество интервалов повторения вычислений) ограничена сверху быстродействием процессора.

Быстродействие современных микропроцессорных контроллеров позволяет реализовать значения m>200 при максимальной скорости вращения ротора, что обеспечивает необходимую точность регулирования тока индукторного двигателя.

Пульсации момента тягового трехфазного реактивного индукторного двигателя снижены при реализации заявляемого способа управления с 15% до 3% за счет формирования фазных токов входящей и выходящей в работу фаз таким образом, чтобы сумма моментов, развиваемых этими фазами, была постоянной и равна моменту индукторного двигателя, задаваемого директивно или регулятором скорости.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводе с индукторным двигателем, в электроподвижном составе постоянного и переменного тока. Сущность изобретения состоит в том, что при управлении индукторным двигателем создаваемый входящей в работу фазой двигателя момент определяют по формуле

где i_вхn-1, L_вх(θ_n-1, i_n-1) и i_вхn, L_вх(θ_n, i_n) - значение тока и индуктивности входящей в работу фазы двигателя в начале и в конце текущего интервала из m соответственно. Заданный момент выходящей из работы фазы определяют по формуле М_Звых(θ_n+1)=М_З-М_вх(θ_n), где М_З - заданное значение электромагнитного момента двигателя на следующем интервале. Заданное значение тока этой фазы определяют по формуле

где θ_n+1 - значение угла поворота ротора двигателя в конце следующего интервала; i_выхn и L_вых(θ_n+1) - значение тока и индуктивности выходящей из работы фазы двигателя в конце текущего интервала соответственно; L_вых(θ_n+1, i_n) - значение индуктивности выходящей из работы фазы в конце следующего интервала. В начале каждого из m интервалов подают напряжение питания на выходящую из работы фазу двигателя и снимают при достижении током этой фазы заданного значения, причем, при достижении или превышении М_вх(θ_n) значения М_З напряжение питания на выходящую из работы фазу двигателя не подают, а на входящую в работу фазу двигателя в начале текущего интервала подают питающее напряжение и снимают при достижении током фазы значения

где i_вхn и L_вх(θ_n, i_n) - значение тока и индуктивности входящей в работу фазы двигателя в конце текущего интервала соответственно; L_вх(θ_n+1, i_n) - значение индуктивности входящей в работу фазы в конце следующего интервала. Технический результат - снижение пульсаций момента за счет формирования фазных токов входящей в работу и выходящей из нее фаз таким образом, чтобы сумма моментов, развиваемых этими фазами, была постоянной и равна моменту индукторного двигателя, задаваемого директивно или регулятором скорости. 6 ил.

Способ управления индукторным двигателем, заключающийся в том, что формируют токи в фазах двигателя, для чего измеряют периоды сигнала датчика положения ротора двигателя, внутри этого периода подают импульсы питающего двигатель напряжения на фазные обмотки двигателя, отличающийся тем, что интервал от нуля до 180-ти эл. град, разбивают на m равных (например одному эл. град.) интервалов Δθ, где θ - угол поворота ротора двигателя в эл. град., в начале интервала подают от нуля до 180-ти эл. град. на входящую в работу фазу напряжение питания, измеряют в начале и в конце текущего Δθ интервалов значение тока входящей в работу фазы двигателя, определяют электромагнитный момент этой фазы по формуле

где i_вхn-1, L_вх(θ_n-1, i_n-1) и i_вxn, L_вх(θ_n, i_n) - значение тока и индуктивности входящей в работу фазы двигателя в начале и в конце текущего интервала соответственно;

θ_n-1 и θ_n - значение угла поворота двигателя в начале и в конце текущего интервала соответственно,

определяют заданный электромагнитный момент выходящей из работы фазы двигателя по формуле

М_Звых(θ_n+1)=М_З-M_вх(θ_n),

где М_З - заданное значение электромагнитного момента двигателя на следующем интервале, определяют заданное значение тока выходящей из работы фазы на следующем интервале по формуле

где θ_n+1 - значение угла поворота ротора двигателя в конце следующего интервала;

i_выхn и L_вых(θ_n+1, i_n) - значение тока и индуктивности выходящей из работы фазы двигателя в конце текущего интервала соответственно;

L_вых(θ_n+1, i_выхn) - значение индуктивности выходящей из работы фазы в конце следующего интервала,

в начале каждого из m интервалов подают напряжение питания на выходящую из работы фазу двигателя и снимают при достижении током этой фазы заданного значения, причем при достижении или превышении М_вх(θ_n) значения М_З напряжение питания на выходящую из работы фазу двигателя не подают, а на входящую в работу фазу двигателя в начале текущего интервала подают питающее напряжение и снимают при достижении током фазы заданного значения

где i_вxn и L_вх(θ_n, i_n) - значение тока и индуктивности входящей в работу фазы двигателя в конце текущего интервала соответственно;

L_вх(θ_n+1, i_n) - значение индуктивности входящей в работу фазы в конце следующего интервала.