Енергоефективне двозонне керування синхронною машиною з поcтійними магнітами для електромобілів

Abstract

У роботі запропоновано нову математичну модель синхронної машини з постійними магнітами (СМПМ), яка враховує втрати у сталі та насичення магнітних кіл. Використовуючи розраховані значення ККД для різних швидкостей та струмів, було розраховано сімейство кривих оптимального керування з точки зору максимальної енергетичної ефективності. Розраховані числові значення оптимальних кривих є основою для побудови енергоефективних систем керування СМПМ. Визначення точки переходу в другу зону регулювання кутової швидкості в системі відбувається у функції насичення інвертора напруги, при чому рівень обмеження за напругою змінюється в залежності від похибки регулювання струму якоря. Розглянуто також регулювання швидкості у другій зоні несинусоїдальної СМПМ з дискретним давачем положення ротора – безконтактного двигуна постійного струму з постійними магнітами, що розширює можливості застосування цих простих і надійних двигунів у приводах електромобілів. Проведені експериментальні дослідження підтверджують адекватність запропонованої математичної моделі СМПМ та розробленого алгоритму двозонного керування СМПМ з гібридним формуванням обмеження за напругою. В работе предложено новую математическую модель синхронной машины с постоянными магнитами (СМПМ), которая учитывает потери в стали и насыщение магнитных цепей. Используя рассчитанные значения КПД для различных скоростей и токов, получено семейство кривых оптимального управления с точки зрения максимальной энергетической эффективности. Анализ различных комбинаций учета и пренебрежения составляющими потерь и магнитного насыщения по осям d и q показал, что для обеспечения максимальной энергетической эффективности необходимо учитывать все перечисленные факторы. Рассчитаные числовые значения оптимальных кривых являются основой для построения энергоэффективных систем управления СМПМ. Разработанная система управления обеспечивает работу электропривода на базе СМПМ во второй зоне регулирования скорости с постоянной мощностью. Для определения точки перехода во вторую зону в системе не нужна информация о текущем напряжении питания и скорости, а сам переход происходит в функции насыщения инвертора напряжения. В разработанной системе двухзонного управления СМПМ используется принцип управления по отклонению с гибридным формированием ограничения по напряжению в зависимости от разницы амплитуд заданного и реального значений тока якоря. Алгоритм обеспечивает как высокое быстродействие контура тока системы управления, так и низкую чувствительность к изменению параметров машины. Рассмотрено также регулирования скорости несинусоидальной СМПМ и дискретным датчиком положения ротора – бесконтактного двигателя постоянного тока (БДПТ) с постоянными магнитами во второй зоне, что расширяет возможности применения этих простых и надежных двигателей в приводах электромобилей. 5-фазный БДПТ с постоянными магнитами характеризуется малой пульсацией электромагнитного момента и высокими динамическими показателями. Определены зависимости оптимального угла опережения от угловой скорости для различных значений момента. Полученная зависимость оптимального угла опережения коммутации позволяет реализовать высокоэффективный электропривод с широким диапазоном регулирования скорости. Проведенные экспериментальные исследования подтверждают адекватность предложенных математической модели СМПМ и алгоритма двузонного управления скоростью с гибридным формированием ограничения по напряжению. The paper proposes new mathematical model of PMSM, which considers losses in a steel and magnetic saturation. Using the calculated values of efficiency for different speeds and currents, the family of curves of optimal control in terms of maximum energy efficiency was calculated. The calculated numerical values of optimal curves are the basis for constructing of energy-efficient control systems for PMSM. Determination of a point of transition to second zone of angular speed occurs as a function of saturation of voltage inverter. Whereby the level of limit voltage changes depending on an error of regulation of a armature current. Speed regulation of BLDC with permanent magnets in the second zone was considered, which expands the possibilities of application of these simple and reliable machines in drives of electric vehicles. The spent experimental researches confirm adequacy of offered mathematical model of PMSM and the proposed algorithm of drive in the second zone with hybrid formation of voltage limit.