Настройка системы управления

В качестве базовой для реализации была выбрана оптимальная по потерям векторная система управления тяговым электроприводом с идентификатором параметров [4-6]. Особенностями данной системы является оценка в реальном времени всех параметров двигателя и коэффициентов алгоритма управления, претерпевающих существенные изменения в связи с изменениями внешних условий и режимов работы привода. Для настройки идентификатора параметров и определения оптимального оп потерям алгоритма управления разработана методика стендовой настройки электропривода [5].

Одним из необходимых условий работоспособности принятых алгоритмов является высокая точность (погрешность не более 1%) измерительных каналов и канала реализации рассчитанного напряжения статора.

Проверка каналов измерения напряжения ЗПТ и скорости показала их приемлемую точность в диапазоне рабочих значений сигналов. В отношении каналов измерения фазных токов в SKAI-2 установлено, что их погрешность гиперболически нарастает и внизу рабочего диапазона привода достигает 12, а в некоторых фазах и 18% (рис. 2). В качестве эталона применялись датчики тока LEM, поверенные калибровочным шунтом, имеющим сертификат государственной службы метрологии. Для повышения точности разработан и реализован нелинейный, но достаточно простой алгоритм коррекции измерений, обеспечивший требуемую точность (рис. 2). Суть его заключается не только в умножении оцифрованного сигнала тока на коэффициент коррекции, но и смещение вычисленного результата. Получено, что для датчиков SKAI-2 необходим коэффициент коррекции 0,89..0,91 и смещение 0,1..3,0 А.

Рис.2. Погрешность датчиков тока SKAI-2

до (сверху) и после (снизу) коррекции измерений

Несмотря на небольшое значение длительности «мертвого» времени в SKAI-2, равное 2,5 микросекунды, отсутствие его компенсации вносит неприемлемую погрешность в формируемый вектор напряжения статора и ограничивает его предельные значения. Для преодоления этих недостатков разработан алгоритм и методика настройки пофазной компенсации «мертвого» времени [6]. Их использование позволило обеспечить формирование напряжения статора с требуемой погрешностью менее 1%, в том числе на уровнях напряжения в единицы вольт. На рис. 3 представлены осциллограммы фазных токов статора ТАД, полученные в режиме управления U/f=const с заданием U_z = 2,0 В и f_z = 0,5 Гц до и после применения алгоритма компенсации «мертвого» времени.

Рис. 3. Осциллограммы токов ТАД до (слева) и после (справа)

применения алгоритма компенсации «мёртвого» времени

Определение зависимости индуктивности обмотки статора от тока намагничивания ТАД (кривой намагничивания) показало её изменение в 2 раза в диапазоне рабочих токов (рис. 4, а). При этом в слабонасыщенной области (ток ниже 12 А) значение индуктивности заметно снижается.

Нижняя треть диапазона рабочих токов намагничивания (8-25 А) является в данном КТЭО наиболее используемой. Снижать намагничивание приходится в силу раннего наступления ограничения по напряжению статора, обусловленного ограничением SKAI-2 по рабочему напряжению в ЗПТ не выше 800 В. Поэтому процедура определения кривой намагничивания в слабонасыщенной области была доработана. Варьированием ряда параметров (индуктивностей обмотки статора и взаимоиндукции, коэффициент компенсации запаздывания управления) определялась правильная ориентация векторной системы в режиме холостого хода для ряда точек, каждая из которых характеризуется значениями тока намагничивания и скорости ротора. Критериями правильной ориентации служили равенство нулю выходов регуляторов компонент токов статора и вычисленной проекции ЭДС на ось потокосцепления ротора, а также равенство 90° вычисленного угла между векторами ЭДС и потокосцепления ротора.

В результате определено, что в области малых токов намагничивания значение индуктивности статора заметно снижается, а величина этого снижения резко растет с увеличением частоты напряжения статора (рис. 4, б). Объяснением этого факта может служить действие потерь в стали, также существенно зависящее от уровня тока намагничивания и частоты напряжения статора.

Рис. 4. Кривая намагничивания ТАД ЭТ-160Г

Результаты испытаний

После учета потерь в стали в модели поля ротора и алгоритмах идентификатора [7, 8], а также настройки коэффициента компенсации запаздывания управления были получены следующие характеристики приводов ТАД и МГ:

- полное обеспечение требований ТЗ по реализуемым моментам во всем диапазоне скоростей;

- работоспособность электропривода (непревышение регулируемыми переменными определенных значений), во всех, в том числе в динамических, режимах работы;

- погрешность вычисления электромагнитного момента не более 10% от реального значения;

- погрешность идентификации параметров двигателя не более 10%.

Совместная работа приводов МГ, левого и правого ТАДов выявила необходимость решения проблемы электромагнитной совместимости. Коммутации в инверторах ТАДов вызывают всплеск напряжения в общем ЗПТ. Периодическое совпадение таких всплесков с моментом измерения напряжения приводом МГ приводит к искажению измеренного значения. Поскольку МГ работает в режиме регулирования напряжения ЗПТ, появляются, как показал эксперимент, медленные периодические колебания напряжения в диапазоне 50 В от заданного значения 725 В (рис. 5). При этом МГ этих колебаний «не видит» и считает, что поддерживает постоянное заданное напряжение в ЗПТ. Уровень этих колебаний недопустим – он нарушает работу приводов ТАД, которые вынуждены периодически входить в зону собственных ограничений.

Устранить указанную проблему можно установив одинаковую (или кратную) частоту модуляции и синхронизировав начала каждого периода модуляции во всех инверторах. Однако сделать это возможно только при тактировании микроконтроллеров, формирующих ШИМ, от одного кварцевого генератора. В разработанной системе такой возможности нет. Для решения проблемы применена фильтрация измеренного в МГ напряжения ЗПТ. Фильтрация реализована в виде вычисления среднеарифметического значения измеренных напряжений на предыдущем и текущем такте расчета. Такой способ является компромиссом между фильтрацией измерений коммутационных всплесков и вносимой задержкой регулирования напряжения ЗПТ. Его применение позволило снизить колебания напряжения до 10-15 В (рис. 6) и устранить их негативное влияние на работу приводов ТАД.

Рис. 5. Сигналы каналов измерения Ud МГ, левого и правого ТАД (сверху вниз), период снятия – 10 мс (1,0 мин весь график)

Рис. 6. Пульсации в ЗПТ до(вверху) и после (внизу) решения проблемы асинхронности коммутаций инверторов

Заводские и полигонные испытания КТЭО в составе трактора проведены в мае-июле 2014 года. Испытания подтвердили работоспособность и показатели комплекта тягового электрооборудования, полученные на стенде.

Научные результаты этой работы апробированы на VII Международной (XVIII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2012, 2-4 октября 2012 года, г.Иваново [9].

Заключение

1. Комплект тягового оборудования гусеничного промышленного трактора мощность 160 л.с. является продолжением аналогичных работ концерна «Русэлпром». При этом он имеет свои особенности, заключающиеся в необходимости пятикратного регулирования скорости ротора и частоты напряжения статора вверх от номинальной и, как следствие, широком диапазоне изменения параметров двигателей: индуктивности, активного сопротивления статора и ротора, постоянной времени ротора.

2. Для обеспечения требуемой точности измерительных каналов и канала реализации напряжения статора применены специальные алгоритмы обработки измеренных сигналов и компенсации «мёртвого» времени.

3. Экспериментально установлено снижение значения индуктивности в области небольших токов намагничивания, и существенный рост этого снижения с увеличением частоты напряжения статора.

4. Разработана методика точного определения значения индуктивности и потерь в стали в области небольших значений токов намагничивания.

5. Совместная работа приводов МГ, левого и правого ТАДов с общим звеном постоянного тока выявила медленные периодические колебания напряжения, приводящие к нарушению работы приводов ТАД. Установлена причина – влияние коммутаций в инверторах ТАД на измеренное контроллером МГ значение напряжения – и разработан алгоритм, снижающий диапазон указанных колебаний напряжения до приемлемого уровня.

6. В результате применения авторских алгоритмов и выполненных настроек тяговые электроприводы левого и правого борта обеспечивают требуемые статические и динамические характеристики.

7. Разработанный комплект тягового электрооборудования успешно выдержал стендовые, заводские и полевые испытания в составе трактора.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Виноградов, А.Б. Системы управления электроприводами гибридных транспортных средств // Сборник материалов науч.-техн. конф. «Силовая электроника», Москва, 6 июня 2008 г., С. 89.

2. Макаров, Л.Н. Развитие тягового электропривода в концерне «Русэлпром» / Л.Н. Макаров, С.Н. Флоренцев, Д.Б. Изосимов // Труды Тульского государственного университета. – Тула, 2010. – Т. 3. – ч.2. – С. 173-178.

3. Серебряная медаль международной сельскохозяйственной выставки AGRITECHNICA 2009 – трактору с электромеханической трансмиссией переменного тока. / Флоренцев С.Н., Изосимов Д.Б., Усс И.Н., Макаров Л.Н. // Электротехника. – №1. – 2010. – С. 43-49.

4. Виноградов, А.Б. Система оптимально-векторного управления асинхронным электроприводом на основе идентификатора параметров / Виноградов А.Б., Изосимов Д.Б., Флоренцев С.Н., Глебов Н.А. // Труды Тульского государственного университета. – Тула, 2010. – Т. 3. – ч.1 – С. 66-72.

5. Виноградов, А.Б. Оптимизация КПД системы векторного управления асинхронным тяговым электроприводом с идентификатором параметров / А.Б. Виноградов, Д.Б. Изосимов, С.Н. Флоренцев, Н.А. Глебов // Электротехника. – 2010. – №12. – С. 12–19.

6. Виноградов, А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / А.Б. Виноградов; ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина». – Иваново, 2008. – 320 с.

7. Виноградов, А.Б. Учет потерь и насыщения стали при оптимальном векторном управлении тяговым асинхронным электроприводом / А.Б. Виноградов, Н.Е. Гнездов, Н.А. Глебов, С.В. Журавлев // Вестник ИГЭУ.– Иваново, 2012.– № 1.– С. 35‑41

8. Виноградов, А.Б. Учет потерь в стали, насыщения и поверхностного эффекта при моделировании динамических процессов в частотно-регулируемом асинхронном электроприводе / А.Б. Виноградов // Электротехника. – 2005. – №5. – С. 57–61.

9. Виноградов, А.Б. Тяговый электропривод гусеничного промышленного трактора БЕЛАРУС 1502Э / А.Б. Виноградов, Н.Е. Гнездов, Н.А. Глебов, В.Л. Чистосердов, С.В. Журавлев // Труды 7-й Международной (18-й Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2012.– Иваново, 2-4 октября 2012. – С. 445–448.