Zeszyty Naukowe Wyziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gańskiej Nr 20 XIV Seminarium ZASTOSOWANIE KOMPUTERÓW W NAUCE I TECHNICE 2004 Oział Gański PTETiS BADANIA SYMULACYJNE I EKSPERYMENTALNE TRAKCYJNEGO UKŁADU NAPĘDOWEGO Z SILNIKIEM IPM Anrzej KAMONCIAK Politechnika Gańska, Katera Trakcji Elektrycznej tel. 347-29-71 fax: 341-08-80 email: akamon@ely.pg.ga.pl W referacie zaprezentowano stanowisko laboratoryjne trakcyjnego ukłau napęowego z silnikiem IPM zrealizowanego w Katerze Trakcji Elektrycznej. Przestawiono moel silnika synchronicznego w osiach -, moel obwou sterowania i aproksymację trakcyjnych oporów ruchu w programie PSpice. Porównano zarejestrowane przebiegi charakterystycznych wielkości la ukłau rzeczywistego i moelu ukłau napęowego przy sterowaniu w trybie regulacji momentu. Określono, w jakim stopniu baania symulacyjne trakcyjnego ukłau napęowego z silnikiem synchronicznym mogą zastąpić eksperyment. 1. WSTĘP Napęy autonomicznych pojazów elektrycznych coraz częściej opierają się na silnikach synchronicznych z magnesami trwałymi. Są to rozwiązania kosztowne, stą na etapie projektu moŝliwe jest wykorzystanie symulacji komputerowych la wskazania najkorzystniejszego rozwiązania poprzez określenie własności elektrycznych, energetycznych i mechanicznych pojazu. Na wstępie baań konieczne jest załoŝenie parametrów pojazu, takich jak masa całkowita, liczba silników, konfiguracja obwou głównego i mechanicznego ukłau przekazywania momentu napęowego. Konieczne jest takŝe określenie wymagań stawianych ukłaowi napęowemu. Do analizowanych własności pojazu zalicza się maksymalne przyspieszenie, zolność pokonywania wzniesień oraz zasięg. Nie jest moŝliwa maksymalizacja wszystkich tych parametrów, stą konieczny jest kompromis, wspomagany wszechstronną analizą symulacyjną. 2. KONFIGURACJA OBWODU GŁÓWNEGO W pojazach z napęem elektrycznym moŝliwe są wa rozwiązania obwou głównego. Pierwszy z nich opiera się na strukturze klasycznego napęu spalinowego i polega na zastąpieniu silnika cieplnego silnikiem elektrycznym oraz zastosowanie jenostopniowej przekłani głównej wraz z ukłaem róŝnicowym. Drugi wariant z napęem bezpośrenim, opisany w [3], eliminuje pośrenictwo przekłani głównej w przekazywaniu momentu napęowego z silników trakcyjnych na koła napęne. Zwiększa się przez to sprawność całko-
- 98 - wita ukłau napęowego. Ponato, la wielosilnikowego ukłau bezprzekłaniowego, poprzez niezaleŝne sterowanie momentem kaŝego koła napęnego, istnieje moŝliwość poprawienia własności trakcyjnych. Wykorzystanie bezpośreniego napęu elektrycznego wymusza zastosowanie silników charakteryzujących się woma obszarami pracy: ze stałym momentem T e =const, oraz ze stałą mocą P=const. Stały moment w zakresie prękości o 0 o ω b (prękości bazowej) ma zapewnić moŝliwość osiągania wymaganej ynamiki poczas rozruchu, natomiast stała moc w rugiej strefie ma zapewnić moŝliwość regulacji prękości w zaleŝności o aktualnego obciąŝenia. Jest to warunek konieczny la uzyskania wymaganych parametrów trakcyjnych pojazu. Silnik trakcyjny przeznaczony o napęu bez przekłani mechanicznej, ze wzglęu na bezpośrenie sprzęgnięcie z kołem napęnym, jest silnikiem wolnoobrotowym; powinien charakteryzować się maksymalnym momentem T e na wale przy zerowej prękości, co zapewni maksymalną ynamikę poczas rozruchu. Wartość momentu rozruchowego T R(v=0), w zaleŝności o warunków obciąŝenia, moŝe być kilkakrotnie większa o momentu silnika la utrzymania maksymalnej prękości. Takimi parametrami charakteryzują się silniki synchroniczne z wysokoenergetycznymi magnesami trwałymi umieszczonymi wewnątrz wirnika. Do symulacyjnej analizy własności napęowych ukłau z silnikiem synchronicznym wybrano wuwymiarowy moel silnika w ukłazie współrzęnych osi - związanych z wirnikiem [8]. Strumień, prąy i napięcia moelu silnika opisane są wektorowo zaleŝnościami (1) (5): v φ = L i + φ, (1) φ = L i, (2) s = R i φ + t e f ω L i, φ (3) v = Rs i + + ωe φ, (4) t natomiast moment elektromagnetyczny silnika równaniem: 3 Te = p ( φ f i + ( L L ) i i ). 2 gzie: R s rezystancja silnika, L, L inukcyjność w osi połuŝnej, poprzecznej, φ f strumień wzbuzenia o magnesów trwałych, v, v, i, i napięcie/prą w osi połuŝnej, poprzecznej. (5) 3. MODELE ELEMENTÓW OBWODU GŁÓWNEGO I UKŁADU STEROWANIA Wspomaganie projektowania ukłaów napęowych moŝe być realizowane z wykorzystanie szeregu programów symulacyjnych. MoŜna tu wyróŝnić programy ADVISOR, PSpice, MATLAB/SIMULINK czy TCAD [1, 2, 9], z zastrzeŝeniem, Ŝe większość z nich nie jest przewiziana o tego celu trzeba stworzyć własne moele. Do analizy ukłau napęowego wybrano program PSpice, który posiaa bogatą bibliotekę elementów, na bazie których zbuowano moele elementów obwou głównego i ukłau sterowania, przestawione na rys. 1, toŝsame z wyposaŝeniem ukłau eksperymentalnego (patrz rys. 2). Moel obwou głównego skłaa się z trzech zasaniczych bloków: źróła energii, falownika napięcia oraz silnika synchronicznego. Moel źróła energii opracowano wykorzystując schemat zastępczy źróła oparty na twierzeniu Thevenina. Uwzglęnia on impeancję źróła wizianą o strony jego zacisków. Falownik napięcia opiera się na ukłazie mostkowym sześciotranzystorowym. Przeciwsobnie równolegle o kaŝego tranzystora ołączono ioę zwrotną. Do utworzenia okłanego moelu falownika napięcia, wyko-
- 99 - rzystano ostępne w bibliotece programu PSpice moele tranzystorów IGBT oraz moele io. T L Źróło energii Falownik napięcia v A v B v C abc Silnik IPM abc i A i B i C T e T 1 - T 6 T 1 - T 6 i i θ ω m p A D f v N a ω α c w Generator sygnałów PWM Moel silnika uasi-ustalony i i ω Obliczenia trakcyjne θ u Regulator PI i T L T R v v sa v sb v sc abc * v i i u i * v i i Kalkulator trajektorii momentu V * MAX ω Regulator PI Rys. 1. Schemat blokowy obwou głównego oraz ukłau sterowania w PSpice Przy buowie w programie PSpice moelu silnika IPM przyjęto następujące załoŝenia: - rezystancja uzwojenia silnika R s jest stała, - inukcyjność L jest stała, - inukcyjność L jest stała, - strumień wzbuzenia o magnesów trwałych φ f jest stały, - opory tarcia w łoŝyskach B są pomijalnie małe, - zjawisk termicznych związanych z nagrzewaniem elementów nie uwzglęniano. Zmianę inukcyjności w osi poprzecznej uwzglęniono w ukłazie sterowania w moelu silnika la stanu uasi-ustalonego. Część elektryczną moelu silnika oparto na moelu obwoowym zbuowanym z wykorzystaniem równań (1) (5), natomiast część mechaniczną na poniŝszym równaniu: J ω + B ω + T L = T (6) e t gzie: J moment bezwłaności ukłau napęowego, B opory tarcia, T L moment obciąŝenia. Dla sterowania silnikiem synchronicznym konieczna jest znajomość kąta połoŝenia wirnika θ. Ponato przyjęto, Ŝe początkowy kąt jest równy zero, natomiast zmianę kąta wyznacza się całkując prękość kątową silnika ω, tj.:
- 100 - t = θ ω( τ ) τ (7) 0 Trakcyjny charakter obciąŝenia wynika z uwzglęnienia oporów ruchu W [4] i jest funkcją wielu zmiennych. Wartość momentu obciąŝenia T L, jak równieŝ zaany moment rozruchowy T R (bęący opowienikiem subiektywnej oceny i oziaływania kierowcy na peał przyspiesznika) są wyznaczane w moelu obliczenia trakcyjne (patrz rys. 2) w oparciu o parametry opisujące pojaz autonomiczny, załoŝoną ynamikę rozruchu, profil trasy oraz aktualną prękość. W moelu tym moment oporowy T L jest wyznaczany z przestawionej poniŝej zaleŝności: W DK TL = (8) 2 M gzie: W opory trakcji, M liczba silników, D k śrenica koła. Analiza symulacyjna ukłau napęowego wymaga uwzglęnienia zarówno moelu obwou mocy, jak i moelu ukłau sterownia. Pełna konfiguracja napęu umoŝliwia obserwację zjawisk zachozących w obwozie głównym przy zastosowaniu sterowania pozwalającego na kształtowanie charakterystyki trakcyjnej pojazu. Przy buowie obwou sterowania wykorzystano algorytm w trybie regulacji momentu przestawiony w [6], który rozszerzono m.in. o metoę maksymalizacji momentu, ostosowując go o sterowania silnikiem synchronicznym z magnesami umieszczonymi wewnątrz wirnika. Przestawiony na rys. 1 moel ukłau sterowania jest moelem ciągłym, opartym na elementach analogowych, natomiast w ukłazie rzeczywistym sterowanie opiera się na ukłazie mikroprocesorowym. Przyjęto takie uproszczenie jako opuszczalne, poniewaŝ praca obwou głównego jest yskretyzowana poprzez falownik pracujący z moulacją PWM. Sterowanie ciągłe w czasie rzeczywistym jest pewnym przybliŝeniem, które jenak wykorzystuje analogiczne struktury sterowania jak algorytmy sterowania cyfrowego [7]. Istotnym elementem przestawionego ukłau sterownia jest blok kalkulatora trajektorii momentu. W nim to wyznaczane są zaane wartości prąów i * i i * w oparciu o trajektorię maksymalizacji momentu. Doatkowo w moelu na rys. 1 wykorzystano blok transformaty owrotnej Clarke a- Parka oznaczony jako /bc oraz moel generatora sygnałów sterujących PWM. 4. PORÓWNANIE WYNIKÓW BADAŃ Dla oceny uzyskanych wyników z baań symulacyjnych wykorzystano zbuowane w Katerze Trakcji Elektrycznej stanowisko laboratoryjne z silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi umieszczonymi wewnątrz wirnika. Schemat ogólny stanowiska przestawiono na rys. 2. WyposaŜenie stanowiska reprezentuje obwó główny pojazu elektrycznego. Obwó mocy skłaa się z autonomicznego (elektrochemicznego) źróła energii (nie pokazany na rys. 2), falownika napięcia opartego na tranzystorach IGBT wraz ze sterownikiem DSP, silnika synchronicznego z magnesami trwałymi, tzw. silnika momentowego. ObciąŜenie stanowi obcowzbuny silnik prąu stałego wraz z ukłaem regulacji. Jako komputer narzęny w ukłazie sterowania wykorzystano komputer klasy PC. Pomiary prąów: baterii, silnika baanego i silnika DC wykonano z wykorzystaniem przetworników LEM, bezpośreniego u napięcia baterii okonano na zaciskach wejściowych o falownika. Analogowy sygnał momentu obciąŝenia, jego znak, a takŝe prękość obrotową uzyskane z momentomierza wprowazono o panelu owego.
- 101 - Przekształtnik czterokwarantowy zasilanie 3 x 400 V i, u zasilanie DC 216 V (bateria akumulatorów) Przekształtnik tranzystorowy RS232C komputer sterujący Sterownik napęu panel momentomierza i, u i, u momentomierz komputer pomocniczy θ, ω u, i, ω oscyloskop obciąŝenie tryb regulacji: momentu prękości napę trakcyjny tryb regulacji momentu ukła kontrolno - owy Rys. 2. Schemat blokowy stanowiska laboratoryjnego z silnikiem IPM Dla oceny jakości wyników symulacji i oceny moŝliwości wykorzystania moelowania i symulacji komputerowych na wstępnym etapie projektowania ukłau napęowego la pojazu autonomicznego, porównano charakterystyczne przebiegi w wybranych punktach obwou głównego. Ze wzglęu na ograniczoną objętość artykułu przestawiono tylko porównanie przebiegów prąu fazowego silnika (szczegółowo przestawiono w [5]). Na rys. 3 przestawiono porównanie przebiegów prąu fazowego silnika la biegu jałowego uzyskane na stanowisku eksperymentalnym oraz z symulacji pracy ukłau napęowego. Przebiegi na rys. 3 uzyskano la n = 1450 obr/min przy momencie obciąŝenia T L = 1 Nm. Natomiast na rys. 4 pokazano przebiegi prąu poczas obciąŝenia silnika momentem T L = 25 Nm, czemu opowiaa ustalona prękość n = 430 obr/min. Eksperyment Symulacja Rys. 3. Porównanie przebiegów prąu biegu jałowego T e = 1 Nm, n = 1450 obr/min
- 102 - Eksperyment Symulacja 5. WNIOSKI Rys.4. Porównanie przebiegów prąu obciąŝenia la T e = 25 Nm, n = 430 obr/min Sterowanie w trybie regulacji momentu sprowaza się o sterowania prąami, opowiezialnymi za generowany moment na wale silnika. Pokazane przebiegi prąu fazowego na rys. 3 i 4 wyróŝniają się uŝym poobieństwem, co wskazuje na poprawność opracowanych moeli obwou głównego i ukłau sterowania. Pozwala to na wskazanie moŝliwości wykorzystania moelowania i symulacji komputerowych o szerokiej analizy własności trakcyjnych ukłau napęowego z silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi. Ientyczne przebiegi prąu fazowego silnika uzyskane w ukłazie eksperymentalnym i w wyniku symulacji la róŝnych stanów pracy, pozwalają przypuszczać, Ŝe analiza własności trakcyjnych bęzie wiarygona, a wynikające z niej wnioski bęą mogły stanowić waŝne źróło informacji la projektantów ukłaów napęowych pojazów autonomicznych. 6. BIBLIOGRAFIA [1] ADVISOR Documentation. Avance Vehicle Simulator, National Renewable Energy Laboratory, April 30, 2002 (version 2002) [2] Brzózka J., Dorobczyński L.: Programowanie w MATLAB, Mikom, Warszawa 1998 [3] Husain I.: Electric an hybri vehicles. Design funamentals, CRC Press, Boca Raton - Lonon - New York - Washington D.C. 2003 [4] Lanzenoerfer J., Szczepaniak C.: Teoria ruchu samochou, Wyawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 1980 [5] Kamonciak A.: Analiza energetyczna autonomicznego pojazu małej mocy z silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi, rozprawa oktorska (prze recenzją), Politechnika Gańska [6] Karwowski, K, Mizan M.: DSP-controlle permanent-magnet motor rives for vehicle applications, International Conference on Clean, Efficient an Safe Urban Transport CESURA 03 Gańsk, 4 6 czerwiec 2003, CD-ROM, [7] Mizan M.: An analog an DSP-base controllers for permanent magnet synchronous motor rivers, 9 th International Conference on Power Electronics an Motion Control, EPE-PEMC 2000 Kosice (CD-ROM). [8] Pillay P., Krishnan R.: Moelling of Permanent magnet motor rives, IEEE Transaction on Inustrial Electronics, vol. 35, No 4, November 1988, s. 537-541 [9] Zimny P., Karwowski K.: SPICE. Klucz o elektrotechniki, Wyawnictwo Politechniki Gańskiej, Gańsk 1996