TEHNICI DE COMANDA ALE MOTOARELOR FARA PERII CU MAGNETI PERMANENTI SI RELUCTANTA VARIABILA

TEHNICI DE COMANDA ALE MOTOARELOR FARA PERII CU MAGNETI PERMANENTI SI RELUCTANTA VARIABILA

Introducere

Autovehiculele hibride actuale sunt foarte competitive fata de autovehiculele clasice, mai ales din punctul de vedere al costurilor. Constructorii de autovehicule hibride produc aceste vehicule avand in vedere trei elemente semnificative care sunt apreciate de potentialii clienti: performanta, siguranta si pretul. Prin combinarea combustibilului traditional si anume cel fosil cu cel neconventional, energia electrica, autovehiculele hibride vor juca un rol important pe piata mondiala de autovehicule. In mod obisnuit, un autovehicul hibrid poate sa functioneze de aproximativ doua ori mai eficient decat cel clasic. Spre exemplu, Honda Insight, un astfel de autovehicul, poate parcurge peste 1100 km la un rezervor plin. Deasemenea, Toyota Prius poate parcurge pana la 900 de km la un rezervor plin.

In esenta, un autovehicul hibrid combina trei componente principale: un sistem destinat stocarii energiei, un sistem de management al puterii electrice si un sistem de propulsie. In cazul sistemului destinat stocarii energiei, acesta poate include diferite tipuri de baterii de acumulatori, ultracapacitoare sau volante. Dupa cum sunt folosite aceste trei subsisteme se poate determina eficienta autovehiculului hibrid.

Vehiculele hibride au mai multe tipuri de surse de putere. Combinatia cea mai obisnuita este aceea dintre un motor actionat de combustibil lichid si un motor electric cuplat la un sistem de depozitare a energiei, cum ar fi o baterie sau un acumulator cu aer comprimat. Aceasta combinatie permite motorului cu aprindere sa functioneze mult mai eficient, primind mai multa putere in timpul accelerarii de la sistemul de depozitare si refolosind energie care altfel s-ar fi pierdut in momentul franarii. Desi vehiculele hibride sunt mai complexe si putin mai scumpe, ele permit o mai mare flexibilitate si economie in ceea ce priveste combustibilul. Consumul de carburant poate fi scazut cu 25 sau chiar 50% daca restrictiile in ceea ce priveste performantele sunt acceptabile.

Principiul de functionare

Pentru a realiza o actionare performanta s-a considerat ca este necesara o modelare a functionarii masinii impreuna cu invertorul cu IGBT-uri si sistemul de comanda.

Functiile pe care trebuie sa le indeplineasca aceasta actionare pot fi intelese pe baza figurii 2.1 in care motorul electric utilizat este plasat intre motorul termic si cutia de viteze. Acest principiu difera de alte principii de functionare ale sistemelor de pe alte autovehicule hibride, in speta fiind vorba de faptul ca tractiunea electrica este cea care primeaza. Desi motorul nu este cu tractiune integral electrica, acest tip de tractiune poate fi folosita in cazul operatiilor simple ce se pot face cu un autovehicul, cum ar fi parcarea sau circulatia in orase, in plus avand loc si o reducere a poluarii mediului inconjurator.

Fig. 2.1 Principiul de functionare

In cazul in care intre motorul conventional si cutia de viteze se amplaseaza un ansamblu motor electric-volant, motorul electric poate functiona precum un starter pentru motorul clasic cu combustie interna. Acest rol de starter poate fi realizat prin accelerarea volantului prin intermediul masinii electrice astfel folosindu-se energia stocata de volant pentru a porni motorul cu combustie interna. Totodata momentul de inertie al volantului reduce semnificativ cuplul electromagnetic necesar pornirii motorului cu combustie interna la o valoare maxima de 70 Nm ceea ce inseamna ca atat masina electrica cat si invertorul pot avea dimensiuni reduse.

Pornirea automobilului se face cu ajutorul motorului cu combustie interna dupa care, in functie de necesitati, se poate trece la functionarea fie numai cu motorul electric, fie numai cu motorul cu combustie interna, fie cu ambele motoare cuplate printr-un ambreiaj pentru realizarea unui cuplu mai ridicat.

In interiorul oraselor, in zonele aglomerate, unde nu este nevoie de turatii ridicate, se poate decupla motorul cu combustie si intreg ansamblul sa functioneze numai prin intermediul actionarii electrice. Daca automobilul ruleaza in afara oraselor si este nevoie de viteze mai mari, deci de turatii mai ridicate, functionarea se face cu motorul termic. In acest caz masina electrica poate trece in regim de generator si incarca bateriile de acumulatori.

Scheme de comanda si rezultate obtinute in urma simularilor   

Simularile s-au realizat cu ajutorul software-ului Matlab Simulink.

In schema de reglare fara invertor cu comanda PWM am folosit blocuri din libraria Simulink, iar in schema de reglare cu invertor PWM am folosit blocuri din librariile Simulink si SimPowerSystems.

Reglarea vitezei motorului sincron cu magneti

permanenti fara invertor PWM

In realizarea simularilor s-a pornit de la modelul matematic al masinii sincrone cu magneti permanenti.

Marimile de intrare ale schemei de reglare sunt viteza impusa w* si curentul i_d* impus (pentru i_d*=0 se obtine cuplul maxim la arborele masinii). Viteza impusa este comparata cu viteza reala si eroarea obtinuta este introdusa intr-un regulator de viteza PI cu tratarea saturatiei care furnizeaza curentul i_q* impus. Cu ajutoul transformatei Clark se trece de la curentii in coordonate mobile d-q la sistemul trifazat ABC. Curentii i_A, i_B, i_C impusi sunt comparati cu valorile reale ale curentilor prin masina si erorile obtinute sunt introduse in trei regulatoare de curent PI cu tratarea saturatiei care furnizeaza tensiunile de alimentare ale motorului u_A, u_B, u_C. Aceste tensiuni impreuna cu valoarea cuplului de sarcina m_s reprezinta marimile de intrare ale blocului "Motor sincron cu magneti permanenti".

Fig. 3.1.1 Schema de reglare fara invertor PWM

Fig. 3.1.2 Variatia in timp a curentilor, cuplului si vitezei

3.2 Reglarea vitezei motorului sincron cu magneti

permanenti cu invertor PWM

Partea de forta a actionarii din figura 3.2.1 este formata din sursa trifazata de tensiune, redresorul necomandat, invertorul cu IGBT-uri si motorul sincron cu magneti permanenti. Partea de comanda este alcatuita din regulatorul PI discret de viteza, regulatoarele PI discrete de curent pe axele d si q si blocul de comanda PWM. In schema care poate fi utilizata pe un autovehicul hibrid sursa trifazata de tensiune si redresorul sunt inlocuite de bateriile de acumulatoare.

Sursa de tensiune furnizeaza un sistem trifazat de tensiuni care alimenteaza redresorul. Tensiunea continua de la iesirea redresorului se aplica la bornele + si - ale invertorului. Deasemenea, la intrarea invertorului se aplica si cele sase trenuri de pulsuri necesare pentru comanda IGBT-urilor, pulsuri furnizate de blocul de comanda PWM. Prin intermediul invertorului PWM se alimenteaza motorul sincron cu magneti permanenti. Cu ajutorul blocului de masura se citesc curentii prin motor, viteza si pozitia. Transformata Park face trecerea de la sistemul de axe ABC la sistemul de axe d-q, astfel obtinandu-se curentii i_d si i_q.

Viteza impusa si cea reala sunt comparate si eroarea este introdusa intr-un regulator de viteza PI discret cu tratarea saturatiei la a carui iesire se obtine curentul i_q impus. Curentii i_d si i_q impusi sunt comparati cu cei masurati si erorile sunt introduse in doua regulatoare de curent PI discrete cu tratarea saturatiei. Tensiunile u_d* si u_q* de la iesirea regulatoarelor impreuna cu pozitia sunt folosite pentru trecerea in sistemul de axe ABC. Tensiunile u_A, u_B si u_C sunt utilizate de blocul de comanda PWM pentru obtinerea comenzii invertorului.

Fig. 3.2.1 Schema de reglare cu invertor PWM

Fig.3.2.2 Variatia in timp a curentilor, cuplului si vitezei

Fig.3.2.3 Variatia cuplului electromagnetic

Fig.3.2.4 Variatia in timp a curentului id

Fig.3.2.5 Variatia in timp a curentului i_q

Fig.3.2.6 Variatia in timp a pozitiei

Fig.3.2.7 Tensiunea la bornele invertorului

Fig. 3.2.8 Tensiunea u_AB si curentul i_A

Fig. 3.2.9 Pulsurile de comanda pentru IGBT-uri

Concluzii

In lucrarea de fata s-a urmarit sa se faca o comparatie intre schema fara invertor PWM si cea cu invertor PWM, care este mai aproape de realitate.

Se observa cum viteza realizata urmareste viteza impusa de 200 rad/s (s-a scalat la valoarea 20 rad/s pentru a putea corela variatia vitezei cu cea a cuplului si a curentilor). Totodata se observa ca la pornire curentii sunt la o frecventa mare pana in momentul in care intra in functiune regulatorul PI de viteza discret care reduce amplitudinea si frecventa curentilor. In momentul in care se aplica cuplul de sarcina se observa o usoara scadere a vitezei care insa se poate neglija fara a periclita functionarea motorului.

Simularile Matlab-Simulink au fost realizate in sistem discret pentru a se putea implementa pe un microprocesor de tip DSP, in speta fiind vorba de un procesor Texas Instruments incorporat intr-un sistem de tip d-SPACE. Acest echipament d-SPACE permite realizarea unei simulari in timp real, de pe masina putandu-se citi diferite marimi (pozitie, tensiuni, curenti). Cu ajutorul acestor marimi se realizeaza simularea in Matlab-Simulink, software-ul d-SPACE prelucreaza informatiile furnizate de catre simulare (implementare pe DSP) si, in final, se obtine comanda PWM pentru invertor.