Энергетическая система гибридного автомобиля

 

Рис. 4 - Ускорение при полностью открытой дроссельной заслонке

Во время  ускорения при полностью открытой дроссельной заслонке батарея также питает энергией, повышая эффективность мотора. (А)

Снижение скорости/торможение

Во время снижения скорости и торможения инерция колес включает двигатель, который затем работает как генератор. Добытое электричество хранится в батарее. (А)

Рис. 5 - Подзарядка батарей

Батарея регулируется для поддержания постоянного  заряда. Когда батарея садится, генератор  направляет энергию для ее заряжения. (D)

 

Рис. 6 - Остановка

Двигатель автоматически  отключается, когда автомобиль остановлен.

       Качественные  соотношения масса/стоимость/габаритные  размеры оптимизированных асинхронных  электродвигателей 

Обычно мощности, моменты  и частоты вращения выходных (для  тяговых электроприводов) и входных (для генераторов) валов заданы. Как правило, известны и требования по КПД и габаритным размерам системы электродвигатель – редуктор, а также их максимальная масса. При проектировании электромеханических устройств в первую очередь необходимо оценить реализуемость этих требований, а также понять, какие факторы ограничивают достижимые значения того или иного показателя.

Так как масса  оптимизированного двигателя определяется его установленной мощностью  и не зависит от частоты вращения ротора, то (если это допускают габаритные размеры - ограничение максимальной частоты питания и лобовых частей) целесообразно исключить механический редуктор. Если габаритные ограничения нарушаются, лучше использовать механический редуктор. При повышении частоты вращения (как следует из приведенных выше положений) радиус и длина активной части оптимизированных электродвигателей изменяются в обратно пропорциональной зависимости. Однако занимаемый активной частью объем (пропорциональный произведению квадрата радиуса на длину) при повышении частоты вращения уменьшается. Таким образом, при сохранении объема и массы активной части повышение частоты вращения позволяет уменьшить габаритные размеры и объем двигателя за счет уменьшения объема внутренней "пустой" части двигателя (для уменьшения объема, занимаемого системой электродвигатель – редуктор, редуктор целесообразно размещать непосредственно в электродвигателе – внутри объема, ограниченного активной частью).

 

 

 

Рис.7. Зависимость максимальной полюсности от допустимой мощности потерь (при наихудших условиях М = 25 кН • м длительно, n = 400 об/мин; мощность 1 МВт)

 

 

 

Рис. 8. Зависимость минимальной массы от допустимой мощности потерь (при наихудших условиях М = 25 кН • м длительно, n = 400 об/мин (мощность 1 МВт) и оптимальной полюсности)

Максимальная  частота вращения ротора и частота питания – ограничения конструкционные.

Отметим, что  сама оптимизация электродвигателя многокритериальна. Причем оптимизация  геометрических размеров происходит на множестве Парето: улучшение одного показателя (например, снижение массы) возможно за счет ухудшения другого (например, увеличения потерь и снижения КПД).

В качестве примера, иллюстрирующего соотношение массы  и КПД электродвигателя, приведем результаты анализа влияния числа  пар полюсов двигателя на его  массу и потери при заданной частоте вращения и мощности, полученные с помощью расчетной модели (рис. 7-9). В расчетах использованы данные тягового двигателя для мотор-колеса тяжелого карьерного самосвала. Заметное увеличение массы при уменьшении числа полюсов объясняется увеличением ярма и необходимостью удлинения активной части при сохранении заданного момента, частоты вращения и индукции в зазоре (при этих условиях большему числу пар полюсов соответствует пропорциональное увеличение частоты питания).

 

Из рис. 7 и 9 следует, что допустимые потери существенно влияют на массу электродвигателя.

На практике габаритные размеры активной части  двигателя часто фиксированы. Ниже приведены данные расчетов тягового двигателя при заданных диаметре активной части (920 мм) и длине (750 мм) (двигатель для карьерного самосвала). При одинаковых общих данных оценивали двигатели с числом полюсов 2р = {12, 16, 20, 24, 28}. Расчеты вели в одной точке: момент на валу – 34 кН • м, частота вращения 290 об/мин, мощность около 1 МВт. Разумеется, при каждой полюсности должна быть оптимизирована геометрия активной части. В качестве примера на рис. 9 приведена зависимость КПД и плотности тока в обмотках от высоты зубца статора. Заметим, что уменьшение высоты зубца статора в пределах 50—20 мм приводит к повышению КПД, а не к его уменьшению, как можно было бы ожидать из-за соответствующего повышения плотности тока с 4 до 9 А/мм2. Немаловажно, что при этом уменьшается и масса активной части, и стоимость двигателя. Аналогичные выводы справедливы и для зубцов ротора.

Приведенные выше зависимости определяли при фиксированных  зазоре и наружном диаметре двигателя. Обычно считается, что зазор довольно слабо сказывается на характеристиках  двигателя. При фиксированных КПД  и потерях его величина в оптимизированном двигателе существенно влияет на массу активной части. Зависимость массы от зазора близка к пропорциональной: благодаря двухкратному уменьшению зазора (при прочих равных условиях – сохранении момента, индукции и КПД) масса активных частей двигателя почти вдвое снижается. Это достигается за счет соответствующего увеличения числа пар полюсов, что позволяет скомпенсировать снижение тока намагничивания и активного тока в полюсном делении при более "тонкой" активной зоне. Масса, а, следовательно, и стоимость двигателя – важные критерии для сопоставительной оценки тяговых приводов. Расчетная модель дает возможность количественно оценить влияние того или иного фактора и обосновать необходимость введения конструкционных и технологических усовершенствований.

При расчетах важно иметь достаточно простую модель тягового двигателя, экономичную по вычислительным затратам и позволяющую, тем не менее, с достаточной точностью оценивать потери в приводе. На рис. 10 приведен пример расчетов удельных характеристик двигателя в наиболее экономичном режиме, выполненных на расчетной модели.

Как следует  из полученных зависимостей, электромагнитный момент двигателя m, приходящийся на единицу  потерь p можно приближенно считать  кусочно-линейной функцией двух аргументов: момента двигателя и частоты вращения. Зависимости m/p от момента при каждой фиксированной частоте вращения практически линейны, и их можно считать подобными (изменяется лишь масштаб). Зависимости m/p от частоты вращения при фиксированных моментах также подобны. Это дает основания для того, чтобы приближенно описать отношение m/p произведением двух функций одного аргумента - момента (модуля момента mod m) для первой функции и частоты вращения (mod n) для другой:

 

m/p = А(1 – B mod m)(1 - C mod n).

 

Численные значения постоянных А, В, С, D для конкретного двигателя в рассматриваемом примере: А = 0,3 (Н• м/Вт); B=0,00055 (1/(Н • м)); С=0,0002 (об/мин). Вид функции m/p от частоты вращения и момента представлен на рис. 5.

Таким образом, асинхронный электродвигатель наиболее эффективен в области малых значений m и n. При этом каждый потребляемый двигателем 1 Вт мощности (мощности потерь) позволяет получить около 1/3 Н • м (в рассматриваемом примере). При больших n (3000 об/мин) эффективность формирования малых моментов падает примерно в 2,5 раза. При больших m (около 1000 Н • м) эффективность двигателя снижается примерно вдвое. Если требуется формировать максимальный момент на большой частоте вращения, то эффективность двигателя снизится примерно в 5 раз.

 

Рис. 9. Зависимости параметров от полюсности при М=34 кН•м, n = 290 об/мин, диаметре 920 мм и длине 750 мм

 

 

 

Рис. 10. Зависимости плотности тока и КПД от высоты зубца статора при p = 6, М = 34 кН • м и n = 290 об/мин-1

 

Рис. 11. Зависимость m/p (Н • м/Вт) от момента при различных частотах вращения n (об/мин-1)

 

 

 

Рис. 12. Вид функции m/p = f(m, n)

 

Процедура предпроектной  оценки параметров электромеханических  устройств 

Исходные данные: зазор d; диаметр статора D (габаритный); максимальная частота питания двигателя fmax (по первой гармонике); максимальная частота вращения ротора двигателя nmax; мощность двигателя Pmax (установленная); длина активной части Lmax (габарит); масса активной части mmax (максимальная).

Для оценки используют библиотеку геометрии оптимизированного полюсного деления, включая полюсное деление, геометрические размеры зубцовой зоны и ярма и удельные показатели – удельные усилие, массу и потери. Варьируемым параметром при выборе библиотечных данных служит отношение весовых коэффициентов удельного электромагнитного момента к массе и к потерям (комплексный критерий оптимальности геометрии полюсного деления); этот параметр определяет эксперт. При расчете потерь и КПД пользуются моделью потерь в электродвигателе.

Выходные данные: коэффициент редукции k; длина активной части L (фактическая); число пар полюсов р; масса активной части m (фактическая); потери и КПД (в том числе зависимости этих показателей от частоты вращения и электромагнитного момента).

В отдельных  случаях может варьироваться  диаметр статора (фактический) в пределах исходных данных по габаритным размерам.

В тяговом приводе  остро стоит вопрос снижения стоимости  комплектного оборудования при безусловном  обеспечении требуемых тяговых  характеристик.

На первом этапе  проектирования силового преобразователя выбирают класс силовых приборов и определяют максимальное напряжение звена постоянного тока инвертора напряжения. Тем самым оценивается максимальная амплитуда выходного напряжения инвертора (инвертор функционирует в режиме синусоидальной высокочастотной ШИМ).

Стоимость силового преобразователя (она составляет основную часть стоимости синхронного  тягового привода) определяется стоимостью силовых приборов, которая пропорциональна  установленной мощности преобразователя (произведению максимального выходного тока преобразователя на максимальное выходное напряжение). При выбранном классе силовых приборов и максимальной амплитуде выходного напряжения снижение установленной мощности силового преобразователя возможно, очевидно, только за счет снижения максимального тока.

Принцип рационального  выбора мощности преобразователя с  учетом анализа оптимальных статических  режимов работы тягового синхронного  двигателя почти очевиден. Большой  электромагнитный момент развивается  при предельном токе в обмотках двигателя. Поэтому целесообразно реализовать максимальный момент в режиме минимального потребления тока, что позволит минимизировать ток, потребляемый электродвигателем от силового преобразователя. При большой частоте вращения целесообразно максимально использовать напряжение (при большом, вплоть до критического, скольжении). В результате установленная мощность силового преобразователя будет минимальна.

Следует учесть, что режимы работы синхронного электродвигателя при больших моментах и при больших частотах вращения различны. В первом случае потребление тока минимально, но требуемое напряжение мало, поскольку скольжение существенно меньше критического. Во втором – напротив, напряжение максимально, но требуемый ток не минимизирован. Область реализуемых тяговых моментов двигателя с учетом ограничения тока и напряжения показана на рис.14.

 

 

Рис. 13. Область реализуемых тяговых моментов двигателя с учетом ограничения тока и напряжения

 

Максимальный  момент реализуем вплоть до частот вращения ротора, показанных на верхней части АС границы области моментов. Можно увеличить момент и при больших частотах вращения за счет увеличения тока (участок DB). В области средних частот вращения за счет увеличения скольжения и соответственно тока можно реализовать большие моменты, чем по гиперболе мощности. Таким образом, реально развиваемая мощность тяги совпадает (с точностью до мощности потерь в двигателе) с установленной мощностью преобразователя.

При предпроектной  оптимизации геометрических размеров тягового синхронного двигателя вопрос выбора диапазона питающих напряжений и токов не рассматривался. Это связано с тем, что оптимизированные электродвигатели, как правило, характеризуются достаточно большим числом пар полюсов. Это позволяет применять последовательное/параллельное соединение полюсных обмоток, добиваясь практически любого желаемого тока и напряжения питания двигателя и согласовывая его с характеристиками силовых модулей преобразователя. Кроме того, существует очевидная возможность увеличения числа витков в обмотке и соединения обмоток в звезду или треугольник. В совокупности это позволяет практически идеально согласовать токи и напряжения в обмотках двигателя с оптимальными значениями применяемых IGBT – модулей.

Для согласования синхронного двигателя и силового преобразователя необходимо выбрать обмоточные данные таким образом, чтобы при максимальной амплитуде напряжения потери при максимальной частоте вращения были максимально допустимы (за счет увеличения по сравнению с оптимальным по потерям или по потреблению тока скольжения, вплоть до критического). При этом необходимо проверять потребляемый ток: если при данном скольжении на максимальной частоте вращения он превышает ток при максимальном моменте и оптимальном по потреблению тока скольжении, необходимо изменить обмоточные данные и уменьшить скольжение. Если при максимальных частоте вращения и амплитуде напряжения требуемый момент реализуется при критическом скольжении, то потребляемый двигателем ток при максимальном моменте будет минимально возможным ("высоковольтный" двигатель). Преобразователь, рассчитанный на этот ток, будет иметь минимальную установленную мощность.