Система прямого управления моментом синхронного двигателя с постоянными магнитами с поиском минимума тока статора

Николай Валентинович Чуприна; Александр Анатольевич Пугачев

doi:10.17213/0136-3360-2024-1-46-55

Авторы

Николай Валентинович Чуприна Брянский государственный технический университет (БГТУ) https://orcid.org/0000-0001-8915-0926
Александр Анатольевич Пугачев Брянский государственный технический университет https://orcid.org/0000-0002-1836-0923

DOI:

https://doi.org/10.17213/0136-3360-2024-1-46-55

Ключевые слова:

синхронный двигатель, схема замещения, прямое управление моментом, экстремальное управление, моделирование, потери мощности

Аннотация

Рассмотрена проблема синтеза системы прямого управления моментом синхронного двигателя с постоянными магнитами (СДПМ) с поиском минимума тока статора и проверкой ее работоспособности на математической модели электропривода. Для достижения поставленной цели использованы методы теории электропривода, теории автоматического управления и компьютерного моделирования. Приведена математическая модель СДПМ на базе эквивалентной схемы замещения в координатных осях dq, учитывающая потери в стали статора, постоянных магнитах ротора, насыщение магнитной цепи и влияние температуры обмоток статора и магнитов ротора. Приведены статические зависимости тока статора и суммарных потерь мощности от потокосцепления статора для двух типов СДПМ. Для системы прямого управления моментом синтезирована адаптивная система поиска и поддержания минимального значения тока статора СДПМ, нечувствительная к изменениям параметров схемы замещения. Получены результаты моделирования разработанной системы, подтвердившие ее адекватность и работоспособность. Показано, что уменьшение потокосцепления статора при снижении нагрузки приводит к значительному уменьшению тока статора и суммарных потерь мощности, причем этот эффект в наибольшей степени проявляется для СДПМ с магнитной несимметрией по осям dq. Установлена незначительная разница в значениях потокосцепления статора, обеспечивающих минимумы тока статора и суммарных потерь мощности. Применение синтезированной системы управления позволяет изменять потокосцепление статора таким образом, чтобы обеспечить работу СДПМ с минимальным значением тока, работа контуров момента и частоты вращения СДПМ при этом не нарушается и определяется типом и параметрами их регуляторов.

Биографии авторов

Николай Валентинович Чуприна, Брянский государственный технический университет (БГТУ)

аспирант, ассистент, Брянский государственный технический университет

Александр Анатольевич Пугачев, Брянский государственный технический университет

д-р техн. наук, доцент, Брянский государственный технический университет

Библиографические ссылки

Matsuoka, K. Development trend of the permanent magnet synchronous motor for railway traction // Transactions on electrical and electronic engineering, IEEJ Trans 2007; 2: 154–161. DOI:10.1002/tee.20121

Колпахчьян П.Г., Подберезная М.С., Шайхиев А.Р. Особенности управления синхронными тяговыми двигателями с постоянными магнитами на роторе на электроподвижном составе // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2018. № 2 (70). С. 132 – 137.

Lashkevich M., Anuchin A., Aliamkin D., Briz F. Control strategy for synchronous homopolar motor in traction applications // 43rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. IECON 2017. 2017. P. 6607 – 6611. DOI: 10.1109/IECON.2017.8217153.

Чуприна Н.В., Пугачев А.А. Система прямого управления моментом тягового синхронного двигателя с постоянными магнитами с минимизацией потерь мощности // Интеллектуальная электротехника. 2022. № 4. С. 22 – 37. DOI: 10.46960/2658-6754_2022_4_22.

Inoue Y., Morimoto S., Sanada M. Comparative study of PMSM Drive systems based on current control and direct torque con-trol in flux-weakening control region // 2011 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC), Niagara Falls, ON, Canada. 2011. Vol. 1. P. 1094-1099. DOI: 10.1109/IEMDC.2011.5994754.

Shinohara A., Inoue Y., Morimoto S., Sanada M. Maximum Torque Per Ampere Control in Stator Flux Linkage Synchronous Frame for DTC-Based PMSM Drives Without Using q-Axis Inductance // IEEE Transactions on Industry Applications. 2017. Vol. 53. No. 4. P. 3663-3671. DOI: 10.1109/TIA.2017.2686800.

Boldea I., Paicu M. C., Andreescu G. -D. Active Flux Concept for Motion-Sensorless Unified AC Drives // IEEE Transactions on Power Electronics, 2008. Vol. 23. No. 5. P. 2612-2618. DOI: 10.1109/TPEL.2008.2002394.

Foo G., Sayeef S., Rahman M. F. Low-Speed and Standstill Operation of a Sensorless Direct Torque and Flux Controlled IPM Synchronous Motor Drive // IEEE Transactions on Energy Conversion. 2010. Vol. 25. No. 1. P. 25 – 33. DOI: 10.1109/TEC.2009.2025407.

Чуприна Н.В., Пугачев А.А. Моделирование системы векторного управления тяговым синхронным двигателем с по-стоянными магнитами // Электротехнические системы и комплексы. 2022. №2 (55). С. 10 – 17. DOI: 10.18503/2311-8318-2022-2(55)-10-17.

Balamurali A., Lai C., Feng G., Loukanov V., Kar N. C. Online multi-parameter identification of permanent magnet synchro-nous motors in EV application considering iron losses // 2016 XXII International Conference on Electrical Machines (ICEM), Lausanne, Switzerland. 2016. Vol. 1. P. 2306-2312, DOI: 10.1109/ICELMACH.2016.7732843.

Dutta C., Tripathi S. M. Comparison between conventional and loss d-q model of PMSM // 2016 International Conference on Emerging Trends in Electrical Electronics & Sustainable Energy Systems (ICETEESES), Sultanpur, India. 2016. P. 256-260. DOI: 10.1109/ICETEESES.2016.7581370.

Kakosimos P., Abu-Rub H. Deadbeat Predictive Control for PMSM Drives With 3-L NPC Inverter Accounting for Saturation Effects // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. 2018. Vol. 6. No. 4. P. 1671-1680. DOI: 10.1109/JESTPE.2018.2796123.

Chen X., Wang J., Sen B., Lazari P., Sun T. A High-Fidelity and Computationally Efficient Model for Interior Permanent-Magnet Machines Considering the Magnetic Saturation, Spatial Harmonics, and Iron Loss Effect // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2015. Vol. 62. No. 7. P. 4044-4055. DOI: 10.1109/TIE.2014.2388200.

Mellor P. H., Wrobel R., Holliday D. A computationally efficient iron loss model for brushless AC machines that caters for rated flux and field weakened operation. 2009 IEEE International Electric Machines and Drives Conference, Miami, FL, USA. 2009. Vol. 1. P. 490-494. DOI: 10.1109/IEMDC.2009.5075251.

Goss J., Mellor P. H., Wrobel R., Staton D. A., Popescu M. The design of AC permanent magnet motors for electric vehicles: A computationally efficient model of the operational envelope // 6th IET International Conference on Power Electronics, Ma-chines and Drives (PEMD 2012), Bristol. 2012. Vol. 1. P. 1-6. DOI: 10.1049/cp.2012.0251.