Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Суббота, 3 декабря
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Регулируемый бездатчиковый электропривод в бытовой технике

В связи с возрастающими требованиями к бытовой технике по энерго­сбережению, функциональности и снижению стоимости на рынке появляются новые решения по управлению электродвигателями. В статье рассмотрен метод векторного управления электродвигателя без датчика, использующий высокоэффективный и недорогой специализированный контроллер компании Freescale. Статья представляет собой перевод [1].

Применение FPGA в промышленных системах управления электроприводом

Ежедневно в мире производится более 20 млн. электродвигателей или более 7 млрд. в год. По оценкам экспертов, электродвигатели потребляют более 50% всей производимой энергии в США, поэтому задача создания высокоэффективной системы управления электроприводом является очень важной. В статье обсуждаются особенности построения эффективных систем управления электродвигателями с использованием FPGA, возможности применения FPGA в промышленных сетях и вопросы выбора оптимальной системы управления электроприводом.

Регулируемый бездатчиковый электропривод в бытовой технике

В связи с возрастающими требованиями к бытовой технике по энерго­сбережению, функциональности и снижению стоимости на рынке появляются новые решения по управлению электродвигателями. В статье рассмотрен метод векторного управления электродвигателя без датчика, использующий высокоэффективный и недорогой специализированный контроллер компании Freescale. Статья представляет собой перевод [1].

 

12 ноября

Тяговый электропривод в гибридных транспортных средствах. Часть 1. Идеология проектирования КТЭО

Рассматриваются кинематические схемы гибридных транспортных средств, специфические требования к тяговым приводам и моторам-генераторам, перспективные типы электрических машин и силовых преобразователей, характерные особенности систем ДВС-генератор, буферный накопитель, силовой преобразователь — электродвигатель, редуктор и коробка передач. Рассматриваются вопросы синтеза управления электроприводом и комплектом тягово-энергетического оборудования.



Введение

Гибридные транспортные средства или, как иногда их предпочитают называть, транспортные средства с комбинированной энергоустановкой (КЭУ), представляют нечто среднее между автомобилем (транспортным средством, приводимым в движение тепловым двигателем) и электромобилем (транспортным средством, приводимым в движение электродвигателем и питаемым от бортового источника электроэнергии). КЭУ состоит из двух и более источников энергии: двигатель внутреннего сгорания (ДВС), генератор, аккумулятор, буферный накопитель, батарея топливных элементов и т.д. Отношение к транспортным средствам с КЭУ начало коренным образом изменяться в конце прошлого столетия. В связи с энергетическим кризисом и экологическими проблемами во многих странах стали заниматься вопросами энергосбережения и охраны окружающей среды. Анализируя возможные пути повышения топливной эффективности, специалисты по автомобильной технике обнаружили, что существенную экономию топлива может дать использование КЭУ и современного электропривода. КЭУ с ДВС являются наиболее реальным путем достижения высоких показателей транспортных средств в самом ближайшем будущем, который обеспечивает большую дальность пробега и сохраняет существующую инфраструктуру заправки.
В минимальной постановке [1, 2] электропривод может использоваться в качестве мотор-генератора (МГ), устанавливаемого непосредственно на коленчатом валу ДВС и позволяющего выключать ДВС при любой остановке транспортного средства, а при последующем быстром пуске ДВС по команде водителя — начать движение. Лучшие результаты и большую гибкость управления дает схема с дополнительным тяговым электродвигателем (ТЭД) с инвертором, редуктором и механической муфтой сцепления, позволяющей реализовать передачу тягового усилия от ТЭД на ведущие колеса совместно с тягой от ДВС. Это «классическая» параллельная кинематическая схема. Применяются и смешанные кинематические схемы, в которых ДВС и МГ «работают» на двухвходовую планетарную передачу (система СПЛИТ). Развитием указанных кинематических схем является последовательная схема, в которой кинематические связи между ДВС и ведущими колесами принципиально исключаются. Последовательная схема открывает простор для новых конструкторских решений. В последовательной схеме существует возможность исключения коробки передач, сцепления, карданного вала, что существенно снижает общую массу силового оборудования; появляется возможность исключения «последней» механической передачи — дифференциала, который, в принципе, значительно затрудняет построение качественной системы управления движением, ухудшает управляемость и проходимость транспортного средства.
Рациональное соотношение мощностей основных источников тягового усилия от ДВС и ТЭД, а также энергоемкости и мощности накопителя зависит от того, в каких режимах движения будет эксплуатироваться данное транспортное средство. Наибольший эффект от КЭУ достигается при использовании транспортного средства в городском движении: по имеющимся экспериментальным данным, потребление топлива снижается на 25—30%, а в отдельных случаях вдвое.
Особняком стоят транспортные средства большой грузоподъемности, например карьерные самосвалы, в которых использование механической трансмиссии затруднено или даже невозможно [3]. В таких транспортных средствах тяговый электропривод применяется давно, и в настоящее время вопрос заключается в его модернизации. Использование КЭУ в дорожно-строительной и сельскохозяйственной технике позволяет существенно упростить кинематические связи, повысить проходимость и топливную эффективность. Таким образом, происходит процесс «генетической мутации» транспортных средств, качественного изменения их структуры и состава основных силовых устройств.
Электромеханические устройства являются относительно новыми в транспортной технике, принципы их проектирования с учетом специфики применения пока не устоялись, требуется переосмысление многих принципиальных моментов. Переход от исходных данных к параметрам конкретных устройств в настоящее время основывается на опыте разработок этих устройств для других применений и представляется скорее искусством проектировщиков. В самом деле, отсутствуют общепринятые и обоснованные процедуры выбора основных параметров электромеханических устройств для гибридной транспортной техники: коэффициентов редукции, числа передач, частот вращения, частот питания электрических машин, числа пар полюсов и т.д., не говоря уже о выборе типа электродвигателей. Весьма редки случаи корректного сопоставления разработанных систем, тем более что отсутствуют критерии качества их проектирования. Все это в значительной мере сдерживает разработку перспективных образцов гибридной техники, затрудняет взаимопонимание специалистов — разработчиков электрических машин, электроприводов, механических устройств и специалистов-транспортников.

Особенности применения электропривода в транспортной технике

Тяговый привод

В тяговом приводе ограничивается максимальный момент и мощность на валу привода. Ограничение максимального момента связано в первую очередь с требованиями, определяемыми силовой электроникой (максимальным током силового преобразователя); ограничение гиперболой мощности определяется мощностью бортового источника (ДВС, буферного накопителя).
В режиме торможения происходит рекуперация, т.е. возврат кинетической энергии движения транспортного средства. Рекуперируемая энергия может поступать в буферный накопитель или «сбрасываться» в тормозной резистор. Возможен также «сброс» энергии торможения в ДВС через обратимый мотор-генератор, при этом топливо в ДВС не подается.
В основном диапазоне мощностей 20…70 кВт наибольшее развитие получили асинхронный электропривод (АЭП) и электропривод с синхронным двигателем на основе постоянных магнитов (СЭППМ). Имеются (не очень удачные) примеры использования вентильно-индукторного привода. Из перспективных типов двигателей отметим также синхронно-реактивный. Отметим, что в настоящее время отсутствует методика корректного сопоставления двигателей различных типов [4]. АЭП характеризуется наилучшим соотношением цена/качество. СЭППМ имеет некоторое преимущество в КПД, но стоит дороже. В АЭП работа с ограничением мощности обеспечивается при ограничении напряжения питания двигателя за счет соответствующего ослабления поля. В синхронном приводе с постоянными магнитами поле практически не регулируется, что приводит к необходимости завышения установленной мощности преобразователя в 3—10 раз. Для приводов легких транспортных средств это приемлемо; для средних и тяжелых транспортных средств это приводит к недопустимому удорожанию системы привода.
ТЭД и МГ в гибридном автомобиле питаются от силового преобразователя, максимальную выходную частоту которого можно регулировать и устанавливать в диапазоне до 500 Гц и более, в отличие от общепромышленных асинхронных двигателей, питаемых от сети 50 Гц и допускающих прямой пуск включением в сеть. Указанное отличие является принципиальным, поскольку появляется возможность существенного снижения массы тяговых двигателей практически без снижения их КПД. Вопросы оптимизации электродвигателей для транспортного применения далеко не тривиальны, они связаны не только с оптимизацией самого двигателя, но и с его охлаждением, конструкцией, выбором режимов его работы во всех областях частот вращения и нагрузок. 

Мотор-генератор

Типовая область скоростей и моментов МГ, работающих совместно в области рабочих режимов ДВС, оптимальных по топливной эффективности и выбросам, характеризуется тем, что максимальный момент реализуется на максимальной частоте вращения. Соотношения Nmax/Nmin и Mmax/Mmin составляют обычно около 2 (при меньшей мощности либо отходят от области рабочих режимов за счет снижения момента вплоть до холостого хода ДВС, либо выключают ДВС). Значения Nmax для дизельных ДВС составляют около 2000 об./мин., для бензиновых выше — до 3000—4000 об./мин.
Оптимальный тип ЭД для мотора-генератора назвать трудно. Возможно, что это также асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором или синхронный с постоянными магнитами, или синхронно-реактивный двигатель.
Таким образом, режимы работы ЭД в тяговых приводах и в генераторах существенно различаются, что требует соответственного различия в методиках их проектирования [5].
В настоящее время идет бурный процесс использования асинхронных двигателей в составе тягового привода. В последнее время появились новые методики оптимизации геометрии активных частей асинхронного двигателя (АД) [6]. Оказалось, что имеются значительные, носящие прорывной характер резервы. Принципы проектирования высокоэффективных АД позволяют утверждать, что для уменьшения массы и повышения КПД активная часть АД вращательного движения должна иметь «бубликообразный» вид: статор и ротор сосредоточены на окружности двигателя, а в центральной части, не участвующей в формировании электромагнитного момента, активные материалы отсутствуют. Для оптимизированных АД при заданной мощности и примерно одинаковых уровнях потерь масса не зависит (точнее, слабо зависит) от частоты вращения ротора.

Система «электрическая машина — механический редуктор»

Обычно мощности, моменты и частоты вращения выходных (для ТЭД) и входных (для МГ) валов являются заданными; как правило, известны желаемые КПД и габариты системы «электродвигатель — редуктор», а также их максимальная масса. Удельные характеристики ЭД и редукторов, которые определяются параметрами применяемых материалов и технологий изготовления, существенно различаются. Редукторы, как правило, характеризуются более высокими отношениями удельной массы к передаваемому моменту по сравнению с ЭД. Соответствующие показатели, казалось бы, однозначно свидетельствуют в пользу механических редукторов как по удельному моменту, так и по КПД или потерям. Казалось бы, что для оптимизации совокупных показателей целесообразно максимально использовать преимущества механических редукторов. Широко распространено мнение, что выбор редуктора с максимальным коэффициентом передачи и, соответственно, использование электрической машины с максимальной частотой вращения позволяет снизить массу системы «электродвигатель — редуктор». Для обычных ТАД это, в целом, справедливо: снижение момента при фиксированном числе пар полюсов позволяет использовать двигатель меньшей массы. Для оптимизированных двигателей это не так. Масса оптимизированного двигателя определяется его мощностью и незначительно зависит от частоты вращения. Отсюда следует, что целесообразно исключить механический редуктор, который только увеличивает массу и стоимость системы. Если габаритные ограничения нарушаются, целесообразно использовать редуктор. Повышение коэффициента редукции позволяет уменьшить габариты ЭД за счет уменьшения объема не содержащей активных материалов внутренней части, сосредоточенной вдоль оси вращения электрической машины.
Использование редуктора не изменяет приведенный момент инерции вращающихся масс электродвигателя.

Система «электрическая машина — коробка передач»

Рассмотрим вначале случай простейший коробки с двумя номерами передач. Пусть коэффициенты редукции на высшей и низшей передаче отличаются в два раза. Можно ожидать, что это позволит использовать ТЭД с вдвое меньшим электромагнитным моментом. Снижение электромагнитного момента ТЭД в два раза уменьшит его массу примерно вдвое. Соответственно, снижается его стоимость, но увеличивается стоимость механических устройств. Таким образом, использование коробки передач позволяет снизить как массу, так и габариты ТЭД. Отметим, что следует принять во внимание совокупные характеристики электромеханической системы «двигатель — коробка передач», с точки зрения их общей массы и габаритов, а также стоимости, ресурса и других показателей.
Эффективность применения коробки передач тем выше, чем больше отношение максимального электромагнитного момента к моменту, развиваемому на максимальной частоте вращения. Предельное относительное снижение массы двигателя за счет использования коробки передач можно оценить величиной MmaxNmax/2Pmax. Соответствующее минимальное число ступеней передач оценивается величиной, равной логарифму по основанию 2 от отношения MmaxNmax/Pmax с округлением до ближайшего большего целого значения. Реальная эффективность применения коробки передач несколько меньше.
Использование коробки передач в тяговом электроприводе увеличивает момент инерции вращающихся масс на низших передачах и снижает момент инерции на высших передачах.

Система «электрическая машина — силовой преобразователь»

Наиболее перспективным промышленным типом силового преобразователя для питания ТЭД в транспортных средствах является автономный инвертор напряжения (АИН), работающий в режиме высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Инерционность нагрузки позволяет фильтровать высокочастотную составляющую выходного напряжения АИН. Векторные алгоритмы ШИМ [7] позволяют: снизить коммутационные потери энергии (до 2,25 раз); повысить использование напряжения звена постоянного тока (примерно в 1,15 раз); сократить число переключений (в 1,5 раза); увеличить максимальную длительность импульсов управления.
Основными критериями, характеризующими качество ШИМ, т.е. критериями, которыми оцениваются достоинства и недостатки того или иного алгоритма ШИМ, являются:
– энергетические (потери энергии);
– акустические (звуковые характеристики работы АИН и нагрузки);
– спектральные (спектр напряжений, токов, электромагнитного момента и механические шумы в нагрузке);
– простота реализации (объем вычислений в процессоре, быстродействие, вычислительная мощность, сложность средств аппаратной поддержки), удобство сопряжения с алгоритмами управления нагрузкой (например, с алгоритмами управления электроприводом);
– чувствительность к неточностям реализации, задержкам в выполнении команд и т.д.
Качество ШИМ, с точки зрения потерь энергии, оценивается дополнительными коммутационными потерями в нагрузке (потери в двигателе из-за наличия коммутационной составляющей токов) и на коммутацию силовых ключей. Мощность первых определяется амплитудой коммутационной составляющей тока, которая при относительно высокой частоте модуляции обратно пропорциональна частоте ШИМ; коммутационные потери в АИН примерно пропорциональны частоте ШИМ. Отсюда следует, что, с точки зрения минимизации суммарных потерь, существует оптимальное по совокупному КПД значение частоты модуляции.
В тяговом приводе важно снижение стоимости комплектного оборудования при обеспечении требуемых тяговых характеристик. Стоимость силового преобразователя, которая составляет основную часть стоимости тягового привода, определяется ценой силовых приборов, пропорциональной установленной мощности преобразователя. Установленная мощность ТЭД равна произведению максимального электромагнитного момента на максимальную частоту вращения; значение гиперболы мощности, ограничивающей область реализуемых моментов и часто понимаемое как мощность ТЭД, обычно существенно меньше, чем значение установленной мощности электродвигателя. Возникает вопрос, какому из этих двух значений должна соответствовать установленная мощность силового преобразователя? При использовании АЭП ближе к истине второе утверждение, что позволяет существенно снизить стоимость силового преобразователя.
Принцип рационального выбора мощности преобразователя почти очевиден. Максимальные значения развиваемого электромагнитного момента определяются предельным током в обмотках двигателя. Поэтому целесообразно реализовать максимальный момент в режиме минимального потребляемого тока. Однако при этом должна быть реализована вся область требуемых моментов на тяговой характеристике. В результате получится двигатель, в котором при максимальной частоте вращения реализуется близкое к критическому скольжение. Такой алгоритм выбора обмоточных данных позволяет «с запасом» реализовать заданные тяговые характеристики АЭП. Пример расчета предельных режимов (асинхронный тяговый двигатель трактора) приведен на рисунке 1.

Рис. 1. Требуемые и предельные (при ограничении напряжения и тока) электромагнитные моменты асинхронного тягового двигателя при согласовании обмоточных данных двигателя

В генераторах максимальный момент развивается на максимальной частоте вращения, и установленная мощность генератора совпадает с максимальной мощностью силового преобразователя. Это еще раз демонстрирует различия в проектировании тяговых электроприводов и генераторов.
Отметим, что целесообразно использование силовых преобразователей в интегральном, транспортном исполнении.

Режимы работы ДВС в гибридной схеме

Большинство автономных (бортовых, передвижных и стационарных) источников электрической энергии представляют собой электромашинные генераторы вращательного движения, приводимые двигателями внутреннего сгорания. Среди двигателей прямого впрыска предпочтение отдается дизельному двигателю. У дизельных двигателей небольшой мощности, по сравнению с обычными бензиновыми двигателями, топливная экономичность выше на 15—30%, а выхлоп СО2 ниже на 10—20%.
С точки зрения повышения топливной эффективности, желательно, чтобы рабочие режимы лежали в области многопараметровой характеристики ДВС с минимальным удельным расходом топлива. По многопараметровой характеристике можно определить оптимальные по топливной эффективности значения частоты вращения и момента в функции мощности и впоследствии использовать эти зависимости для управления скоростью вращения ДВС и режимом его нагружения (напомним, что ДВС в последовательной гибридной системе не связан кинематической связью с колесами, скорость движения определяется ТЭД и может выбираться любой в пределах имеющегося ресурса мощности ДВС). Разумеется, можно использовать и экспериментально полученные зависимости. Снижение потребления топлива при использовании оптимального по топливной эффективности режима может быть существенным — на максимальной мощности до 30% и более, по сравнению с обычно используемой частотой вращения ДВС.
Особо следует рассмотреть режим работы системы ДВС — МГ в различных кинематических схемах гибридных транспортных средств.
В системах с электромеханической трансмиссией, без буферного накопителя, МГ должен обеспечивать требуемую по условиям движения мощность ТЭД. Это означает, что момент МГ, являющегося нагрузкой ДВС, будет зависеть от частоты вращения. В системе с буферным накопителем и в системе с обычной трансмиссией момент нагрузки ДВС при превышении скорости вращения повышается, при снижении скорости — снижается, что, очевидно, повышает устойчивость работы ДВС. В системе с электромеханической трансмиссией ситуация противоположная. Как следствие, условия устойчивой работы ДВС в такой системе отличаются от систем с традиционной трансмиссией, что требует разработки специальных алгоритмов управления ДВС.
Потребность в более совершенных источниках энергии может быть достаточно быстро удовлетворена радикальным улучшением двигателей-генераторов переходом на их безвальное линейное, свободнопоршневое исполнение (СПДГ) [8]. Габаритная мощность, удельная масса и металлоемкость СПДГ в 2,5—3 раза меньше, чем у двигателей-генераторов традиционного исполнения. Основное эксплуатационное преимущество СПДГ — сниженный примерно на 30 % расход топлива.

Буферные накопители

Требования к накопителям в конкретных применениях весьма разнятся. Например, в некоторых случаях критическим параметром является мощность, а количество запасаемой энергии не важно; в других применениях критическим параметром является энергоемкость. Имеются отличия и в числе циклов за время работы энергоустановки; различаются требования по надежности, устойчивости к перегрузкам и т.д., что обуславливает целесообразность выбора того или иного типа накопителя для конкретного применения.
Варианты буферных накопителей:
– супермаховик;
– аккумуляторная батарея (буферная);
– суперконденсатор.
Возможна также комбинация отдельных накопителей (гибридный накопитель).
Основой механического (маховичного) накопителя является тело вращения — маховик, в наиболее перспективных конструкциях — т.н. «супермаховик». Супермаховик изготавливается из слоистых и волокнистых материалов высокой прочности (лент, проволок, элементарных или композиционных волокон) и обладает, кроме высокой удельной энергоемкости, свойством безопасного разрыва. Супермаховик используется крайне редко — в настоящее время нет примеров его применения в промышленно выпускаемых автомобилях.
Ниши для использования того или иного типа аккумуляторных батарей и конденсаторов приведены на ри­сунке 2.

Рис. 2. Ниши применения буферных накопителей

Большинство имеющихся на рынке батарей имеет номинальное напряжение 12 В. Для того чтобы их сборка имела высокое номинальное напряжение, необходимо использовать последовательное соединение. Каждый тип батарей имеет свои преимущества и недостатки. Кадмий представляет опасность для жизни человека. Технология литиево-полимерных батарей пока находится в стадии эксперимента, и их количество на рынке ограничено. Исследователи продолжают разработку литиево-полимерных аккумуляторов с сухим твердым электролитом, работающим при комнатной температуре. Металлогидридные и никелево-натриевые батареи слишком большие и тяжелые и на их базе трудно создать достаточно мощную сборку для транспортного средства. Плотность энергии аккумуляторов Li-Ion обычно вдвое превышает плотность стандартных NiCd, а в перспективе, благодаря применению новых активных материалов, предполагается еще увеличить ее и достигнуть трехкратного превосходства над NiCd. Li-Ion-аккумулятор подвержен старению, даже если он не используется. По вполне очевидным причинам производители об этой проблеме умалчивают.
Электрические накопители конденсаторного типа по принципу действия можно разбить на три группы:
– электронные конденсаторы с жидким или твердым диэлектриком;
– суперконденсаторы, или двойнослойные конденсаторы, принцип действия которых основан на использовании емкости двойного электрического слоя, образующегося на границе электрод-электролит;
– ионисторы, представляющие собой гибрид двойнослойного конденсатора и аккумулятора.
Традиционные электронные конденсаторы с жидким и твердым полимерным диэлектриком, имеющие относительно низкую емкость, в качестве накопителей не используются. Высокие плотности энергии, позволяющие, в частности, использовать их в гибридных энергетических установках транспортных средств, имеют ионисторы с жидким электролитом. Активно разрабатываются конденсаторы с двойным электрическим слоем на основе волокнистых углеродных материалов (активированные и неактивированные ткани, металлизированные углеродные волокна).
Среди гибридных накопителей отметим совместное использование АБ и суперконденсатора, что позволяет повысить как удельную энергоемкость, так и мощность такой системы.
У АБ имеются следующие недостатки.
1. Характеристики разряда АБ снижаются при большой мощности.
2. Число циклов существенно зависит от мощности. При большой мощности разряда необходима частая замена батарей.
3. Плохо функционируют при низкой температуре.
4. Трудность заряда при рекуперации.
5. Они небезопасны, особенно при полном заряде или разряде.
Суперконденсаторы характеризуются следующим.
1. Они выдерживают миллионы циклов.
2. Плотность мощности примерно на два порядка выше.
3. Работают в широком температурном диапазоне.
4. Недостаточно энергоемки.
Учитывая всю совокупность факторов, определяющих выбор накопителя, прежде всего климатику и ресурс (эксплуатация без замены накопителя), для реализации рекомендуются промышленно выпускаемые суперконденсаторы и литиево-ионные аккумуляторные батареи. У такой батареи для буферного накопителя гибридного автобуса следующие характеристики:
– количество аккумуляторов — 240;
– максимальное зарядное напряжение, В — 850;
– минимальное разрядное напряжение, В — 720;
– энергоемкость номинальная, кВт∙ч — 30,7;
– энергоемкость в конце службы, кВт∙ч —  25;
– энергоемкость при 70% DOD в конце службы, кВт∙ч — 17,5;
– стоимость (с тестированием и подбором, комплектом силовых перемычек и конструктивом) — 2,5 млн руб.
Отметим, что выбор буферного накопителя в последовательной схеме не влияет на параметры электромеханических устройств, что позволяет его проектировать и испытывать автономно по критериям дополнительной стоимости ДВС и буферного источника, требуемой пиковой мощности тягового привода и приемлемого уровня выбросов.

Продолжение статьи читайте в следующем номере журнала.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Станислав Флоренцев, ген. директор «Русэлпром-электропривод»; Дмитрий Изосимов, зам. ген. директора по науке, «Русэлпром-электропривод»



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 
 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2016 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты