Українські розробники створили новий алгоритм керування реактивними двигунами

Вчені з України представили інноваційний підхід до керування синхронними реактивними двигунами (SynRM), які завдяки відсутності постійних магнітів і простоті конструкції дедалі частіше застосовуються в промисловості та транспорті.

Новий алгоритм векторного керування моментом, заснований на оптимізації за критерієм «максимальний момент на ампер» (MTPA), дозволяє значно підвищити енергоефективність таких машин, особливо в зоні моментів до 50−70% від номінального значення.

Ця розробка може стати важливим кроком у створенні економічних і простих у реалізації систем для електроприводів.

Основна ідея полягає в тому, щоб оптимізувати співвідношення між моментом і струмом статора, мінімізуючи енергетичні втрати. Для цього дослідники спростили математичну модель SynRM, виключивши складні тригонометричні функції та багатовимірні таблиці. Замість них використано поліноміальні апроксимації функцій потокозчеплення, що описують магнітне насичення машини. Таке рішення не лише полегшує обчислення, а й робить алгоритм доступним для практичного впровадження без потреби в потужних процесорах чи тривалих експериментальних тестів.

Традиційно керування SynRM ускладнене через сильне магнітне насичення вздовж осі d, тоді як потокозчеплення вздовж осі q залишається менш вираженим. Втрати в залізі при цьому враховуються через додатковий резистор у еквівалентній схемі.

Новий алгоритм дозволяє регулювати потокозчеплення як функцію моменту: від 5−10% номінального значення при нульовому моменті до 50−70% при роботі в типових статичних режимах. При більших навантаженнях машина переходить у режим із постійним збудженням. Це дає змогу адаптувати систему до реальних умов експлуатації, наприклад, у тягових електроприводах міського транспорту.

Розробка включає два ключові елементи: лінеаризуючий регулятор моменту та регулятори струму за осями d і q. Перший забезпечує асимптотичне відпрацювання заданого моменту, другий — стабільність струмів статора. Для оптимізації MTPA дослідники запропонували аналітичний вираз, який пов’язує струми осей d і q залежно від моменту. У найпростішому випадку, коли потокозчеплення апроксимується поліномом другого порядку, вдалося отримати чітке рішення, яке легко автоматизується. Для складніших апроксимацій чисельні методи дозволяють формувати одновимірні таблиці залежностей, що також спрощує реалізацію.

Ефективність алгоритму перевірено на двигунах потужністю 15 кВт і 2,2 кВт. Тестування показало, що в зоні середніх моментів модуль вектора струму статора зменшується, що знижує активні втрати потужності в статорі. Наприклад, для двигуна 15 кВт при моменті 19,1 Нм (20% від номінального) алгоритм із MTPA оптимізацією продемонстрував менші втрати порівняно з керуванням із постійним струмом збудження. Цікаво, що ефект виявився більш вираженим для машини меншої потужності (2,2 кВт), що підтверджує більшу доцільність оптимізації для компактних систем.

Динамічні тести включали формування траєкторії моменту з кроками по 20% від номінального значення та синусоїдальні коливання з частотою 5 Гц. Результати показали, що похибки відпрацювання моментів і струмів залишалися мінімальними, а система зберігала стабільність навіть у перехідних режимах. Графіки перехідних процесів і втрат потужності, отримані під час експериментів, чітко ілюструють переваги нового підходу над традиційним методом із фіксованим збудженням.

Ця розробка розв'язує давню проблему пошуку компромісу між динамічними характеристиками, енергоефективністю та простотою реалізації. Попередні дослідження в цій галузі, як зазначають автори, часто вимагали складних адаптивних алгоритмів або значних обчислювальних ресурсів, що ускладнювало їхнє застосування. Натомість нова методика пропонує практичне рішення, яке може бути легко інтегроване в сучасні системи керування.

Дослідження провели вчені Сергій Пересада, Сергій Ковбаса, Володимир Щербаченко та Євген Ніконенко з Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», а також Петро Подейко з Інституту електродинаміки НАН України. Їхня робота опублікована в журналі «Технічна електродинаміка».