Автор работы: Пользователь скрыл имя, 23 Января 2013 в 12:22, курсовая работа
Целью курсовой работы является систематизация и закрепление знаний, полученных при изучении теоретического курса дисциплины «Автомобили с гибридным приводом», а также при выполнении практических и лабораторных работ.
Задача идентификации традиционно понималась как задача определения по результатам измерений параметров схемы замещения. Однако показано [11], что такая постановка несостоятельна: одним и тем же измеряемым значениям напряжений, токов, моментов и частот вращения соответствует не один АД (в смысле конкретных значений параметров схемы замещения), а множество АД с отличающимися значениями индуктивностей рассеяния и взаимоиндукции (при сохранении значения обобщенного рассеяния) и значениями сопротивления ротора (при сохранении значения постоянной времени ротора). Видимо, именно этим обстоятельством объясняется отсутствие общепринятой методики экспериментальной идентификации параметров АД.
Уравнения Парка будут иметь более простой вид, если их записывать относительно формально введенных переменных фиктивных фаз. направляющие орты которых для статора и ротора совпадают (при этом отпадает необходимость учитывать взаимное положение обмоток неподвижного статора и вращающегося ротора). Выбор фиктивных фаз для АД с короткозамкнутым ротором чаще всего ограничивается двумя вариантами:
а) Система координат, связанная с фиктивными фазами, неподвижна (система (α,β)). Приведенные переменные статора в этом случае совпадают с переменными обобщенной машины, а фазные переменные ротора преобразуются к неподвижным осям координат. Неподвижная система координат удобна при синтезе частотного управления приводом, т.е. при управлении амплитудой и частотой питающего напряжения.
б) Система фиктивных фаз ориентирована по вектору потокосцепления (чаще по направлению потокосцепления ротора, система (d, q)). Использование вращающейся системы координат позволяет в статике оперировать постоянными значениями всех переменных, что в некоторых случаях помогает указать рациональную процедуру синтеза регулятора. Система (d,q) используется при синтезе систем векторного управления приводом при независимом управлении величиной магнитного поля и электромагнитным моментом.
Длительность переходных электромагнитных процессов в АД, как правило, намного меньше чем длительность переходных процессов режима движения транспортного средства, и даже меньше, чем типовое время изменения тягового момента. Это дает основание для того, чтобы рассматривать АД как статический объект (с соответствующими требованиями к системе управления, устанавливающей оптимальный статический режим его работы). Характеристики статического режима АД при его питании фиксированной амплитудой и частотой хорошо изучены: это т.н. нагрузочная характеристика асинхронного двигателя — зависимость момента от частоты вращения ротора.
При частотном управлении АД связи между амплитудой и частотой, с одной стороны, и электромагнитным моментом, с другой, существенно нелинейны, что приводит к сложности в обеспечении устойчивости замкнутого контура, особенно в динамических процессах. «Правильно» организованный привод с частотным управление м позволяет регулировать тяговый и тормозной момент на валу привода во всем диапазоне скоростей, реализуя режим, близкий к минимальному по потерям.
При векторном управлении раздельно управляют двумя компонентами вектора тока: током намагничивания и активным током; управление АД при этом в известном смысле аналогично управлению двигателем постоянного тока: возбуждением по току намагничивания и току якоря по активной составляющей тока. Векторное управление характеризуется более сложным алгоритмом регулирования из-за необходимости векторных преобразований переменных (впрочем для современных процессорных контроллеров сложность вычислений не представляет затруднения). Поскольку каналы регулирования момента и поля при векторном управлении разделены, можно организовывать любую желаемую связь между этими регулируемыми величинами. Быстродействие приводов с векторным управлением можно реализовать предельным (в отличие от частотного управления) или искусственно уменьшить в регуляторе, например, с целью повышения помехозащищенности привода. Векторное управление, несомненно, более перспективно для любых применений, в т.ч. в тяговом приводе
Принципы синтеза цифрового (процессорного) управления тяговым приводом [9]:
а) использование разностной модели процессов;
б) оценка неизмеряемых непосредственно переменных с соответствующей фильтрацией;
в) асимптотическое регулирование для снижения влияния шумов в измерениях ;
г) использование прогнозаторов переменных для компенсации запаздывания, возникающего из-за конечной скорости вычислений в микропроцессорном контроллере;
д) идентификация параметров двигателя.
Получение информации о значениях параметров АД, как уже отмечалось, представляет собой определенную трудность. Чувствительность систем привода к вариациям параметров, определение необходимой точности не исследованы в полной мере. В этих условиях разработка методов экспериментальной, а в последующем — автоматической идентификации параметров АД представляется абсолютно необходимой. К настоящему времени практически закончены экспериментальные (стендовые) исследования настройки приводов по параметрам АД как с частотной, так и с векторной системами управления. По результатам экспериментов можно сделать некоторые выводы. Выявлено, что параметры АД значительно изменяются — влияет насыщение стали (изменение параметров до 50% в функции величины поля); потери в стали, особенно частотные (изменение параметров до 2 0% в функции скорости (частоты напряжения питания) и величины тока, в т.ч. активного); температура (рабочий диапазон температур электрических машин -40...150° соответствует примерно 50% изменению параметров). В совокупности диапазон изменения параметров составляет более 1:2,5.
Данные экспериментов и полученные зависимости изменения параметров АД от режима работы двигателя (от величины поля, от частоты питания, от температуры и т.д.) использованы в практических системах приводов. Ниже (рисунок ?.3) приведены данные стендовых испытаний комплекта тягово-энергетического оборудования (КТЭО) трактора ЭТ-300 ЦП-5 на предельных режимах (максимальный момент АЭП 1200 Нм, максимальная мощность АЭП 183 кВт, максимальная мощность МГ 220 кВт при моменте 1200 Нм и скорости 1700 об/мин). Приведен совокупный КПД системы МГ-СП-СП-АД с векторной системой управления после экспериментальной идентификации параметров и оптимизации режима работы двигателей. КПД системы определялся от вала ДВС до вала АД. Максимальный КПД сохраняется в широком диапазоне частот вращения, что свидетельствует об оптимальной настройке приводов
Рисунок ? – КПД тягового двигателя в функции частоты вращения на предельной характеристике
СИНТЕЗ УПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКТНЫМ ТЯГОВО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ (КТЭО)
Комплект электроприводов, ДВС буферный накопитель, трансмиссия как объект управления представляет сложную взаимосвязанную нелинейную динамическую систему [12]. В такой системе должен выполняться ряд ограничений на управления и переменные состояния: ограничение напряжений питания двигателей, токов, моментов, частот вращения, диапазонов изменения напряжения звена постоянного тога. Для управления КТЭО очевидно, необходима разработка специальных алгоритмов, обеспечивающих автономную работу отдельных устройств и устойчивое согласованное управление всеми устройствами КТЭО включая ДВС. Существенным фактором является неопределенность исходных параметров движения: требуемая тяговая мощность заранее не известна, она определяется текущими условиями движения и выбором водителя; имеющийся резерв мощности также заранее не известен или известен недостаточно точно (максимальная мощность ДВС зависит от многих факторов, таких как качество топлива, атмосферное давление и влажность воздуха, температура, наконец, состояние (износ) ДВС и т.д.). Изменяется также уровень потерь и КПД тягово- энергетического оборудования, изменяется мощность вспомогательных бортовых устройств. В этих условиях следует обеспечить баланс мощностей автоматически, не требуя точных данных о состоянии и режиме работы устройств.
Заметим, что необходимо одновременно управлять АЭП (выполнять команды водителя с учетом текущих условий движения), МГ (стабилизировать напряжение ЗПТ в системе без буферного накопителя или управлять мощностью заряда буферного накопителя при его наличии) и ДВС (обеспечивать режим максимальной топливной эффективности за счет выбора соответствующего значения скорости вращения ДВС). При этом следует соблюсти условие баланса мощностей, различные ограничения, в т.ч. исключить перегрузку ДВС по моменту (отметим, что максимальный момент ДВС неопределен, что наиболее существенно сказывается в зоне малых частот вращения ДВС вблизи оборотов холостого хода).
Ограничение момента АЭП и МГ осуществляет с я по следующим аргументам:
Цель ограничения по величине напряжения ЗПТ — не допустить «выхода» напряжения ЗПТ за определенные границы рабочего диапазона. Средство — при повышении напряжения ЗПТ выше допустимого ограничиваются генераторные моменты МГ и АЭП, т.е. снижается мощность, «закачиваемая» этими двигателями в ЗПТ; при снижении ограничиваются двигательные моменты МГ и АЭП, т.е. снижается мощность, потребляемая двигателями из ЗПТ. Цель ограничения активного тока АЭП по скорости вращения МТЛД— не допустить «выхода» частоты вращения АЭП за определенные границы рабочего диапазона. Средство — при выходе частоты вращения за границы диапазона ограничивается двигательный момент АЭП. Цель ограничения активного тока
МГ по скорости вращения NМГ — не допустить «выхода» частоты вращения ДВС-МГ за границы рабочего диапазона. Средство – при превышении частоты вращения за границу диапазона ограничивается двигательный момент МГ, при снижении — генераторный. Цель ограничения момента МГ по отклонению скорости вращения NМГ от заданной — обеспечить «вы ход » ДВС на заданную частот у вращения. Средство — при превышении отклонения ошибки регулирования скорости ДВС ограничивается генераторный (или, соответственно, двигательный) момент МГ.
Ограничение моментов осуществляется с помощью формирования множительных коэффициентов, значения которых выбираются в диапазоне [0,1] пропорционально расположению ограничивающего параметра (напряжения ЗПТ и скорости двигателей в зоне ограничений: 1 соответствует началу действия ограничения, 0 — полному ограничению момента). Такая система реализует «мягкое» ограничение момента при приближении к границам рабочего диапазона напряжений и частот вращения. «Мягкое» в том смысле, что вследствие инерционности ЗПТ, тока и частоты вращения значения электромагнитного момента АЭП и М Г « плавно» устанавливаются такими, при которых ограничиваемые переменные остаются в рабочем диапазоне. Отметим, что при этом АЭП либо выполняет команду водителя, либо потребляет ровно столько мощности, сколько может обеспечить ДВС-МГ на тягу (за вычетом мощности других потребителей).
Управление потоками мощности в системе без буферного накопителя (точнее, без явно выраженного буферного накопителя: в ЗПТ всегда присутствует фильтрующая емкость, которой, возможно, недостаточно для обеспечения существенного передвижения транспортного средства) обеспечивается только лишь за счет ограничения двигательного и генераторного моментов в МГ и АЭП в функции напряжения звена постоянного тою; информации о текущем значении этого напряжения оказывается вполне достаточно для автоматического выполнения условия баланса мощностей. Отметим, что в системе без буферного накопителя любые изменения мощности АЭП требуют немедленной компенсации генерируемой мощностью МГ. Для этого быстродействие привода МГ (вернее, системы МГ-ДВС) должно, очевидно, превышать быстродействие тягового привода. Достичь этого можно при использовании в приводе МГ векторного управления. В АЭП можно использовать привод с ограниченной динамикой или при соответствующей фильтрации сигнала задания момента (последнее, впрочем, вследствие достаточно большой полосы пропускания АЭП практически не сказывается на приемистости тягового привода). Привод МГ при этом работает в режиме регулятора напряжения ЗПТ, ДВС (с контроллером ДВС) — в режиме регулирования частоты вращения по сигналу задания, формируемому в соответствии с оптимальной зависимостью частот от мощности, потребляемой МГ (с учетом мощности вспомогательных бортовых систем).
В системе с буферным накопителем динамика систем ДВС-МГ и системы АЭП становится независимой, поскольку буферный накопитель разделяет эти системы: напряжение буферного накопителя не может существенно измениться на малом временном интервале. Разумеется, это упрощает синтез управления МГ и АЭП, однако возникает вопрос об организации управления системой ДВС-МГ. Принципы организации управления потоками мощности в системе с буферным накопителем следующие
1. ДВС должен работать в области рабочих режимов, для которой частота и момент ДВС жестко связаны. Это позволяет снизить потребление топлива и выбросы. Обеспечение требуемой зависимости момента от частоты вращения обеспечивается за счет задания момента МГ в функции частоты вращения.
2. Изменение режима работы ДВС должно происходить квазистатически (достаточно медленно), что дополнительно ПОЗВОЛИТ экономить топливо и снизит выбросы. Для обеспечения к ваз и с тати чес кого изменения режимов темп изменения задания частоты вращения на контроллер ДВС должен ограничиваться. При этом момент ДВС примерно равен моменту МГ (формируемому по рабочей области ДВС).
Регулирование потоков мощности осуществляется контроллером верхнего уровня (КВУ). Одновременно КВУ должен обеспечивать связь с органами управления, индикацию основных параметров дои жени я.
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ
Вспомогательные системы непосредственно не выполняют основных функций обеспечения движения гибридного транспортного средства, однако без выполняемых ими обеспечивающих функций работа основного оборудования невозможна. Кроме того, необходимо обеспечить контроль, диагностику и поиск неисправностей, по возможности сократив требуемое для восстановления системы время.
К вспомогательным системам КТЭО относятся:
Несмотря на вспомогательные функции, к источникам питания компонентов КТЭО предъявляются очень жесткие требования по надежности, эффективности, массо-габаритным показателям, стоимости. Не менее сложной является задача создания эффективных, компактных и надежных систем охлаждения компонентов КТЭО — электрических машин, силовой электроники.