Компьютерное исследование динамических свойств вентильно-индукторного двигателя
Приведены компьютерная модель для исследования динамических свойств вентильно-индукторного двигателя и результаты экспериментов с моделью. Предложенная модель позволяет проводить расчеты электромагнитных и электромеханических процессов во всех элементах системы с учетом коммутационных особенностей с...
Saved in:
| Published in: | Електротехніка і електромеханіка |
|---|---|
| Date: | 2003 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
2003
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143676 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Компьютерное исследование динамических свойств вентильно-индукторного двигателя / О.Я. Карпович, О.А. Онищенко // Електротехніка і електромеханіка. — 2003. — № 4. — С. 42-45. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860042413900300288 |
|---|---|
| author | Карпович, О.Я. Онищенко, О.А. |
| author_facet | Карпович, О.Я. Онищенко, О.А. |
| citation_txt | Компьютерное исследование динамических свойств вентильно-индукторного двигателя / О.Я. Карпович, О.А. Онищенко // Електротехніка і електромеханіка. — 2003. — № 4. — С. 42-45. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Електротехніка і електромеханіка |
| description | Приведены компьютерная модель для исследования динамических свойств вентильно-индукторного двигателя и результаты экспериментов с моделью. Предложенная модель позволяет проводить расчеты электромагнитных и электромеханических процессов во всех элементах системы с учетом коммутационных особенностей силового инвертора, оценивать механические и динамические характеристики проектируемого двигателя, разрабатывать стратегии управления ключами.
Наведені комп’ютерна модель для дослідження динамічних властивостей вентильно-індукторного двигуна та результати експериментів з моделлю. Запропонована модель дозволяє проводити розрахунки електромагнітних та електромеханічних процесів в усіх елементах системи з урахуванням комутаційних особливостей силового інвертора, оцінювати механічні та динамічні характеристики двигуна, що проектується, розробляти стратегії управління ключами.
The computer-based model of switched reluctance motor for dynamic properties investigation and the results of experiments with the model are presented. The model permits to carry out calculations of electromagnetic and electromechanical processes taking into account of inverter switching peculiarities, to estimate the mechanical and dynamic characteristics of designing motor and to work up the algorithms of switches control.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:56:24Z |
| format | Article |
| fulltext |
42 Електротехніка і Електромеханіка. 2003. №4 ISBN 966-593-254-4
УДК 62-83: 621.313
КОМПЬЮТЕРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Карпович О.Я., Онищенко О.А., к.т.н.
Одесская государственная академия холода
Украина, 65026, Одесса, ул. Дворянская, 1/3, ОГАХ, кафедра “Электротехники и электронных устройств”
тел. (0482) 20-91-71, е-mail: olekar@freemail.ru, olegoni@mail.ru
Наведені комп’ютерна модель для дослідження динамічних властивостей вентильно-індукторного двигуна та ре-
зультати експериментів з моделлю. Запропонована модель дозволяє проводити розрахунки електромагнітних та еле-
ктромеханічних процесів в усіх елементах системи з урахуванням комутаційних особливостей силового інвертора,
оцінювати механічні та динамічні характеристики двигуна, що проектується, розробляти стратегії управління
ключами.
Приведены компьютерная модель для исследования динамических свойств вентильно-индукторного двигателя и ре-
зультаты экспериментов с моделью. Предложенная модель позволяет проводить расчеты электромагнитных и
электромеханических процессов во всех элементах системы с учетом коммутационных особенностей силового ин-
вертора, оценивать механические и динамические характеристики проектируемого двигателя, разрабатывать
стратегии управления ключами.
Вентильно-индукторные двигатели (ВИД) харак-
теризуются сильным насыщением магнитопровода, что
позволяет получить отличные удельные энергетиче-
ские и массогабаритные показатели, близкие к луч-
шим образцам вентильных машин с высококоэрци-
тивными магнитами.
Несмотря на проработанность аналитических
выражений, описывающих ВИД и всплеск исследова-
ний в этой области (проектирование машины, разра-
ботка моделей, способов управления и др.) до на-
стоящего времени нет таких же надежных и досто-
верных моделей ВИД, как для асинхронных двигате-
лей и машин постоянного тока. Следует учесть, что
несинусоидальность потока и тока в фазах ВИД, а
также наличие низкой взаимной магнитной связи фаз
для большинства конструкций машин не позволяет
использовать методологию обобщенной электрической
машины, применять векторные диаграммы и другие
классические методы анализа.
В настоящее время наиболее распространены
численные и аналитические модели ВИД такого типа:
- линейные модели [1], для оценки статических и
локальных режимов ВИД, не учитывающие насыще-
ния магнитной системы двигателя и взаимного влия-
ния фаз;
- «сверхбыстрые» модели [2], для оценки дина-
мики машины, основанные на линейно-регрессионной
аппроксимации нелинейных связей между моментом,
током и положением ротора, использующие калибро-
вочные кривые;
- нелинейные модели [3, 4], в которых зависи-
мость потокосцепления от тока и угла поворота рото-
ра описывается нелинейными кривыми, форма кото-
рых изменяется в зависимости от положения ротора и
степени насыщения магнитной системы. Кривые опи-
сываются данными, получаемыми в результате поле-
вых расчетов.
Перечисленные подходы имеют ряд очевидных
недостатков, связанных с приближениями и допуще-
ниями для каждого из применяемых методов, зачас-
тую искажающие результаты моделирования.
Таким образом, следует считать, что создание
компьютерной модели, позволяющей поверить анали-
тические исследования, оценить динамику и энерге-
тические характеристики ВИД, согласовать момент
нагрузки и диапазон изменения скорости, обеспечив
при этом адекватность моделирования физическим
процессам в двигателе – крайне важная, до конца еще
не решенная задача. Реализация такой модели позво-
лит заметно снизить стоимость и сроки разработки
новой продукции машиностроения за счет исключе-
ния метода проб и ошибок, повторных испытаний,
переконструирования.
Целью статьи является представление легко реа-
лизуемой и во многих случаях универсальной модели
ВИД в среде Simulink/Matlab, с использованием Sim-
PowerSystems – библиотеки энергетических элемен-
тов и элементов силовой электроники, в большой сте-
пени снимающей отмеченные выше проблемы и за-
метно дополняющей существующие нелинейные
компьютерно-ориентированные модели.
Представляемый в статье подход построения мо-
дели позволяет с высокой точностью оценивать как
механические и динамические характеристики проек-
тируемого ВИД, так и пиковые напряжения на эле-
ментах его силовой части, токовые нагрузки, потери
на переключение в силовых полупроводниковых эле-
ментах, создаваемые системой электромагнитные по-
мехи, разрабатывать стратегии управления ключами.
Рассмотрим функциональную схему ВИД, при-
веденную на рис. 1. Двигатель конструкции 8/6 со-
держит четыре фазы L1…L4, силовой инвертор на
основе схемы Миллера, состоящий из ключей VT и
быстродействующих диодов VD, датчик положения
ротора ДПР, силовой драйвер ключей и блок логиче-
ского управления с узлом ограничения тока гистере-
зисного типа. Резистор Rs – датчик суммарного тока
фаз ВИД. Драйвер ключей предназначен для форми-
рования характеристик включения/выключения верх-
них (VTH) и нижних (VTL) транзисторов и предвари-
ISBN 966-593-254-3 Електротехніка і Електромеханіка. 2003. №4 43
тельного усиления с гальванической развязкой сигна-
ла обратной связи по току URs.
Блок логики осуществляет стратегию симмет-
ричной коммутации фазами ВИД по сигналам датчика
ДПР. Дополнительная задача блока – путем сравнения
сигнала Uзт задания тока двигателя и сигнала обрат-
ной связи по току Uот осуществлять ограничение тока
фаз на основе принципа «жесткой» коммутации
Р2/Р0. При таком способе коммутации, энергия ис-
точника в режиме Р2 идет на выполнение механиче-
ской работы и накопление энергии магнитного поля
фазы. В режиме Р0 энергия, накопленная в магнитном
поле, частично преобразуется в механическую энер-
гию и частично на заряд конденсатора Сф.
Модель, для приведенной функциональной схе-
мы ВИД, изображена на рис. 2. Опишем основные
узлы, разработанные при построении модели.
Субблоки Sourсe, TV, Bridge и C моделируют
стандартными средствами SimPowerSystems работу
трехфазной промышленной сети, трансформатора и
мостового выпрямителя с конденсатором Cф.
Субблоки SRM 1-3 и SRM 2-4 представляют со-
бой виртуальную модель схемы Миллера с четырьмя
фазами ВИД.
Внутреннее содержание субблоков SRM приве-
дено на рис. 3.
С целью оценки всех динамических свойств схе-
мы, модель инвертора учитывает работу MOSFET-
ключей, обратных быстродействующих диодов и под-
соединенных к ним снабберов (RLC-цепей).
Рис. 1. Функциональная схема ВИД
Рис. 2. Simulink-модель ВИД
44 Електротехніка і Електромеханіка. 2003. №4 ISBN 966-593-254-4
В этих субблоках применены узлы управляемых
индуктивностей фаз (drossel) с табличными данными
(L=f(i,s)), полученными в результате полевых расче-
тов. Так решена задача связи значений токов и индук-
тивностей фаз с текущим положением ротора ВИД.
Средства Matlab позволили применить модули
многомерных таблиц интерполяции Look-Up Tables
типа 2-D. Эти модули резко облегчают расчеты между
точками таблицы и, при необходимости, автоматиче-
ски осуществляют многомерную экстраполяцию.
Рис. 3. Субблок SRM 1-3
Рис. 4. Субблок Logic
Optical Sensor – субблок, генерирует прямо-
угольные сигналы, соответствующие текущему про-
странственному положению Θ ротора. Этот субблок
содержит интегратор со сбросом выходного сигнала
через 360О и логические устройства, описывающие
процессы формирования сигналов фотодатчиков.
Для согласования шестипульсной коммутации
фаз двигателя за один оборот ротора с 30-ти градус-
ными табличными данными служит субблок Angle
Control. На основе сформированных названным бло-
ком сигналов осуществляется управление четырьмя
2-D таблицами изменения индуктивности фаз и че-
тырьмя таблицами (Torques Table), связывающими
суммарный электромагнитный момент и ток фаз в
функции положения ротора.
Рис. 5. Индуктивности 4-х фаз двигателя
Рис. 6. Переходные процессы тока, момента и скорости за
один оборот ротора двигателя
Рис. 7. Токи через транзисторы инвертора
ISBN 966-593-254-3 Електротехніка і Електромеханіка. 2003. №4 45
Интегратор 1/J·s и субблок Load моделируют
уравнение движения одномассовой системы с нагруз-
кой типа «сухое трение».
В субблоке Logic (рис. 4) дополнительно приме-
нен генератор коротких импульсов G, осуществляю-
щий кратковременный запрет открытия всех ключей,
что вызвано необходимостью создания временной
паузы для заряда бутстрепных конденсаторов драйве-
ров верхних ключей.
Рис. 8. Токи через диоды инвертора
Рис. 9. Напряжение на рабочей фазе при пуске двигателя
Предложенный подход к созданию математиче-
ской модели ВИД хорошо приближен к его реальной
работе, так как учитывает насыщение магнитной сис-
темы двигателя, динамику цикла коммутации фаз,
дискретность преобразования энергии и другие осо-
бенности работы рассматриваемой системы.
Например, субблок SRM реализован так, что мо-
делируются все три интервала цикла переключения
фаз ВИД: включение, рабочий интервал, интервал
отключения. Первый интервал начинается при под-
ключения фазы к источнику питания в рассогласован-
ном состоянии зубцов статора и ротора, когда индук-
тивность фазы минимальна (рис. 5). На интервале
включения электромагнитный момент не создается,
поскольку не изменяется магнитная проводимость
воздушного зазора между зубцами при изменении уг-
лового положения ротора. Интервал включения за-
канчивается в момент начала перекрытия зубцов фазы
статора и ротора и служит для подготовки фазы к ра-
бочему интервалу. Рабочий интервал начинается с
момента начала перекрытия зубцов фазы статора и
ротора и заканчивается при их полном согласовании.
Ток в обмотке двигателя и положительная производ-
ная магнитной проводимости по углу определяют
появление электромагнитного вращающего момента
(рис. 6). На этом интервале магнитная энергия преоб-
разуется в механическую. Интервал отключения начи-
нается с момента полного согласования зубцов фазы
статора и ротора (значение индуктивности фазы
максимально) и продолжается до полного прекра-
щения протекания тока в фазной обмотке.
Описанные эффекты учитываются в модели,
включая формирование траекторий высокочастот-
ных переходных процессов от действия снабберов
ключей и обратных диодов.
Графики, приведенные на рис. 5…9 представля-
ют некоторые результаты компьютерных эксперимен-
тов с описанной моделью ВИД. Они сняты при стати-
ческой нагрузке на валу двигателя Mс=0,3 Hм, на-
пряжении питания U=48 В, токе отсечки Iотс=2 А и
частоте генератора G коротких импульсов f=1000 Гц
(коэффициент заполнения сигнала =0,8). Кратковре-
менные всплески напряжения (рис. 9) в момент пере-
ключения связаны не только с параметрами и работой
снабберов, но и с особенностями процесса моделиро-
вания.
Разработанная средствами среды Simulink/Matlab
компьютерная модель ВИД:
- обеспечивает достаточную точность моделиро-
вания и высокую сопоставимость реальным процес-
сам, протекающим в ВИД;
- позволяет проводить совместные расчеты элек-
тромагнитных и электромеханических процессов в
элементах системы с учетом коммутационных процес-
сов в инверторе, драйвере, силовом преобразователе;
- позволяет путем незначительной доработки
осуществлять исследования ВИД с любым другим
соотношением чисел зубцов статора и ротора при ал-
горитме одиночной симметричной коммутации фаз;
- ориентирована на оптимизацию конструктив-
ных параметров ВИД и его алгоритмов управления.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Soares F., Costa Branco P.J. “Simulation of 6/4 Switched
reluctance motor based on Matlab/Simulink environment”.
IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems.
Vol. 37, No. 3, July 2001, pp. 989-1009.
[2] Miller T.J.E., Glinka M., Cossar C., Gallegos-Lopez G.,
Ionel D., Olaru M. Ultra-fast model of the switched reluc-
tance motor. IEEE-IAS Electric Machines Committee, St.
Louis, USA, 12-16 October 1998, pp. 319-326.
[3] Радимов И.Н., Рымша В.В, Малеваный О.Е. Моделиро-
вание режимов работы вентильно-индукторного двига-
теля // Електротехнiка i електромеханiка. – 2002. - №2.
– С. 60-64.
[4] Nagel N.J., Lorenz R.D. Modeling of a Saturated Switched
Reluctance Motor Using an Operating Point Analysis and
the Unsaturated Torque Equation. Proc. Of IEEE, IAS An-
nual Conf., Oct. 3-7, 1999, pp. 2219-2226.
Поступила 28.08.2003
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-143676 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2074-272X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:56:24Z |
| publishDate | 2003 |
| publisher | Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Карпович, О.Я. Онищенко, О.А. 2018-11-08T20:43:55Z 2018-11-08T20:43:55Z 2003 Компьютерное исследование динамических свойств вентильно-индукторного двигателя / О.Я. Карпович, О.А. Онищенко // Електротехніка і електромеханіка. — 2003. — № 4. — С. 42-45. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 2074-272X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143676 62-83: 621.313 Приведены компьютерная модель для исследования динамических свойств вентильно-индукторного двигателя и результаты экспериментов с моделью. Предложенная модель позволяет проводить расчеты электромагнитных и электромеханических процессов во всех элементах системы с учетом коммутационных особенностей силового инвертора, оценивать механические и динамические характеристики проектируемого двигателя, разрабатывать стратегии управления ключами. Наведені комп’ютерна модель для дослідження динамічних властивостей вентильно-індукторного двигуна та результати експериментів з моделлю. Запропонована модель дозволяє проводити розрахунки електромагнітних та електромеханічних процесів в усіх елементах системи з урахуванням комутаційних особливостей силового інвертора, оцінювати механічні та динамічні характеристики двигуна, що проектується, розробляти стратегії управління ключами. The computer-based model of switched reluctance motor for dynamic properties investigation and the results of experiments with the model are presented. The model permits to carry out calculations of electromagnetic and electromechanical processes taking into account of inverter switching peculiarities, to estimate the mechanical and dynamic characteristics of designing motor and to work up the algorithms of switches control. ru Інститут технічних проблем магнетизму НАН України Електротехніка і електромеханіка Електричні машини та апарати Компьютерное исследование динамических свойств вентильно-индукторного двигателя Computer-based dynamic properties investigation of switched reluctance motor Article published earlier |
| spellingShingle | Компьютерное исследование динамических свойств вентильно-индукторного двигателя Карпович, О.Я. Онищенко, О.А. Електричні машини та апарати |
| title | Компьютерное исследование динамических свойств вентильно-индукторного двигателя |
| title_alt | Computer-based dynamic properties investigation of switched reluctance motor |
| title_full | Компьютерное исследование динамических свойств вентильно-индукторного двигателя |
| title_fullStr | Компьютерное исследование динамических свойств вентильно-индукторного двигателя |
| title_full_unstemmed | Компьютерное исследование динамических свойств вентильно-индукторного двигателя |
| title_short | Компьютерное исследование динамических свойств вентильно-индукторного двигателя |
| title_sort | компьютерное исследование динамических свойств вентильно-индукторного двигателя |
| topic | Електричні машини та апарати |
| topic_facet | Електричні машини та апарати |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/143676 |
| work_keys_str_mv | AT karpovičoâ kompʹûternoeissledovaniedinamičeskihsvoistvventilʹnoinduktornogodvigatelâ AT oniŝenkooa kompʹûternoeissledovaniedinamičeskihsvoistvventilʹnoinduktornogodvigatelâ AT karpovičoâ computerbaseddynamicpropertiesinvestigationofswitchedreluctancemotor AT oniŝenkooa computerbaseddynamicpropertiesinvestigationofswitchedreluctancemotor |