☰

Автономные системы электроснабжения. Автономная система электрооборудования с вентильным электродвигателем Особенности построения силовых преобразователей электромобилей

0 Бюл. У 1 научно-исследоваут электромашиностронаправлени я вычислит осцепления на т го используют ройства, с по ью которых ые усо сигозбужд а якоря, оложения алам датчиков т ения и углового еско еобх регулирительных о потокосцепления и и возбуждения допол ольных обмоток возб уждения, испо тегральныезуя пропорционально- регуляторы и усилите и токов в тромеханиче з.п. ф-лы,дения генератора икого преобразовател7 ил. СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР ения(56) Вентилъные двигатели и их применение на электроподвижном составе,/ 11 од ред, Б.Н.Тихменева. - М,:Транспорт, 1976, 10-13 с,Авторское свидетельство СССР11 1356134, кл. Н 02 К 29/06, 1985.(54) АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ С ВЕНТИЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ(57) Изобретение относится к электротехнике, конкретно к регулируемым электрическим машинам переменного Тока при работе их от преобразователей частот, и может быть использовано в системах электропривода и электроснабжения транспортныхсредств, Цель изобретения - уменьшение пульсаций вращающего моментавентнльного электродвигателя, улучшение энергетических, динамических,массогабаритных показателей и расширение диапазона регулирования частоты вращения. Индукторы генератораи электромеханического преобразователя вентильного электродвигателяснабжаются дополнительными продольными обмотками возбуждения, токкоторых регулируется так, чтобы проекция регулируемой части векторапотокосцепления возбуждения по продольной оси на направление, ортогональное вектору тока якоря, былапропорциональна проекции асинхронносоставляющей вектора основного пото енератора и электромеханипреобразователя вычисляютмый заноя изменения основн1534662 Составитель А. Санталов Редактор В. Петраш Техред И.Ходанич Корректор И. Кучерява одписн ул. Гагарина Производственно-издательский комбин тент, г, Уж Заказ 52 Тираж 435 ВНИПИ Государственного комитета по изоб 113035, Москва, Ж, Раетениям и открытиям при ГКНТ СССушская наб д. 4/5нальны тригонометрическим функциямположения их роторов, Каждая фазакольцевой обмотки 19 якоря генератора 1 выполнена из двух ветвей,расположенных одна относительно другой на угол 6 /р, и соединенных междусобой дополнительной обмоткой 21 возбуждения, ось которой совпадает сосью полюсов индуктора 20 генератора 1, Дополнительная обмотка 21возбуждения подключена к выходу первого усилителя 13 тока через первыйдополнительный датчик 15 тока, Входпервого усилителя 13 подключен квыходу первого пропорционально-интегрального регулятора 11, первыйвход которого подключен к выходу первого вычислительного устройства 9,а второй вход объединен с первымвходом первого вычислительного устройства 9 и подключен к выходу первого дополнительного датчика 15 тока. Второй двухканальный вход первого вычислительного устройства 9подключен к первому дополнительномувыходу системы 4 управления, а ш -фазный вход этого вычислительногоустройства 9 подключен к выходу шфазиого датчика 17 тока якоря гене. -ратора 1,Каждая фаза кольцевой обмотки 22якоря ЭМП 2 выполнена из двух вет"вей, расположенных одна относительнодругой на угол /р и соединенныхмежду собой своими разноименнымивыводами. Индуктор 23 ЭМП 2 снабжендополнительной обмоткой 24 возбуждения, ось которой совпадает с осьюполюсов индуктора 23 ЭМП 2. Дополнительная обмотка 24 возбужденияЭМП 2 подключена к выходу второгоусилителя 14 тока через второй дополнительный датчик 16 тока. Входвторого усилителя 14 подключен квыходу второго пропорцнонально-.интегрального регулятора 12 тока, первый вход которого подключен к выходу второго вычислительного устройства 10, а второй вход объединен спервым входом второго вычислительного устройства 10 и подключен квыходу второго дополнительного датчика 16 тока. Второй двухканальныйвход второго вычислительного устройства 10 подключен к второму дополнительному выходу системы 4 управле"ния, а ш -фаэный вход.этого вычислительного устройства 10 подключен 3 1534662Изобретение относится к электротехнике, а именно.к регулируемым машинам переменного тока различногоназначения при работе их от преоб 5разователя частоты, и может бытьиспользовано в автономной системеэлектрооборудования (АСЭ) транспортных средств с вентильными электродвигателями. 10Цель изобретения - уменьшениепульсаций вращающего момента, улучшение энергетических, динамическихи массогабаритных показателей и расширение диапазона регулирования частоты вращения вентильного электродвигателя (ВД),На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема АСЭ с ВД;на фиг, 2 и 3 - векторные диаграммы 20изображающих векторов генератора иэлектромеханического преоьразователя (ЭМП); на фиг, 4 - функциональная схема вычислительного устройства; на фиг, 5 - функциональная схема блока моделирования потокосцеплений якоря; на фиг, 6 - конструктивная схема ЭМП и генератора с дат"чиками углового положения ротора;на фиг. 7 - конструктивная схема ЗОдиска ротора ЭМП и генератора.АСЭ (фиг. 1) содержит 2 р -полюсный ш,-фазный генератор 1 переменного тока и вентильный электродвигатель, включающий в себя 2 р -полюсныйш -фазный ЭМП 2, обмотки якорей которых связаны через преобразователь3 частоты, управляющий вход которого подключен к выходу системы 4 уп"равления (СУ), датчик 5 углового по" 40ложения ротора генератора 1, установленный на оси 6, датчик 7 углового положения ротора ЭМП 2, уста"новленный на оси 8, первое 9 и второе 10 вычислительное устройства, 5два пропорционально-интегральных ре"гулятора 11 и 12 тока, два усилителя 13 и 14 тока, два дополнительныхдатчика 15 и 16 тока, ш -фазныйдатчик 17 тока якоря генератора 1, 5 Ош -фаэный датчик 18 тока якоря ЭМП 2,СУ 4 снабжена двумя дополнительными выходами, входами для регулирования угла запаздывания и угла опе"режения и информационными входами,подключенными соответственно к выходам датчиков 5 и 7 углового положения роторов генератора 1 и ЭМП 2,выходные сигналы которых пропорцио(2) 50где 6,55"с 1 д фХ 5 1к выходу щ, -фазного датчика 18 токаякоря ЭМП 2,Каждое вычислительное устройство9 и 1 О (фиг, 4) включает в себя двакоординатных преобразователя 25 и26, блок 27 моделирования потокосцеплений якоря, блок 28 выделениясреднего значения, блок 29 суммирования, блок 30 деления, выход которого является выходом вычислительныхустройств 9 и 10, а вход делимогоподключен к выходу блока 29 суммирования, первым входом соединенногос выходом блока 28 выделения среднего значения. Вход блока 28 соединенс вторым входом блока 29 суммирования и с выходом второго координатного преобразователя 26, первый ивторой входы которого соединены сопервым и вторым выходами блока 27моделирования потокосцеплений якоря,первым и вторым входами соединенногос первым и вторым выходами первогокоординатного преобразователя 25,третьим входом - с источником эквивалентного сигнала, а четвертый входблока 27 моделирования является первым входом вычислительного устройства 9 и 1 О. Вход делителя блока 30деления, третий вход второго координатного преобразователя 26, первыйвход первого координатного преобразователя 25 объединены и представляют собой первый канал второго двухканального входа вычислительногоустройства 9 и 10, Четвертый входвторого координатного преобразователя, 26, второй вход первого координатного преобразователя 25 объединены и представляют собой второй канал второго двухканального входа вычислительных устройств 9 и 1 О, а щ 1 фаэный или щ -фазный вход первогокоординатного преобразователя 25 является щ-фазным или щ -фазным входами вычислительных устройств 9 и 10.В АСЭ при фазовом регулировании напряжения генератора 1 и напряженияЭМП 2 эквивалентный выпрямленный ток(модуль вектора тока якоря) ЭМП 2содержит, кроме постоянной составляющей, переменные составляющие тока, которые и являются причинойпульсации вращающего момента и ухудшения энергетических показателей ВД.Кроме того, вращающий момент ВД является пульсирующим даже при идеально сглаженном эквивалентном выпрям 534662 Ьленном токе ЭМП 2 ввиду дискретногохарактера изменения положения векто".ра тока якоря ЭМП 2, что приводитпри низких частотах вращения к явлению шагания ВД, ограничивая теми 1самым диапазон регулирования частотывращения АСЭ с ВД, Дискретный характер изменения положения вектора тока якоря генератора 1 вызывает пульсации электромагнитного момента генератора 1 и приводит к ухудшениюего энергетических показателей,Пульсации эквивалентного выпрямленного тока и момента, обусловленные фазовым регулированием напряжения ЭМП 2 и дискретным характеромизменения вектора тока якоря ЭМП 2,можно устранить, если проекцию век тора основного потокосцепления якоря ЭМП 2 на направление.д, ортогональное вектору току якоря ЭМП 2поддерживать равной ее среднему значению путем регулирования тока возбуждения ЭМП 2 по продольной оси Йд для чего необходимо компенсировать переменную составляющую проекции вектора основного потокосцепления й(3 рд в выражении, электромагнит ного момента (фиг. 2) Мд = (С 1 р д + Ь(ф бд) хд где(б - среднее значение проек ции вектора основногопотокосцепления на направление Ед, ортогональное вектору тока якоряЭМП 2 д,40 Из диаграммы изображающих векторов(фиг, 2) необходимая величина потокосцепления дополнительной обмотки24 возбуждения ЭМН 2 по продольнойоси й определяетсяЧ,1 Д =ЦУ д/совъ+ 12нп6 оугол опережения включения при холостом ходе, определяемый установкой датчика 7 углового положения ротораЭМП 2;ток возбуждения и индуктивное сопротивление рассеяния дополнительной продольной обмотки 24 возбуядения ЭМП 2.где и - среднее значение проек обгции вектора основного потокосцепления на направление Гг, ортогональноевектору тока якоря генератора 1Из диаграммы изображающих векторов (Фиг. 3) необходимая величина потокосцепления дополнительной обмотки 21 возбуждения генератора 1 по продольной оси й определяется так: 30 3569,1,= Й(/сов С, + 61(4) Гф.где сг оЫ - угол запаздывания включенияпри холостом ходе, определяемый установкой датчика5 углового положения роторагенератора 1; 11 йгХ - ток возбуждения и индуктиво 1 гное сопротивление рассеяниядополнительной продольнойобмотки 21 возбуждения генератора 1,Диаграммы изображающих векторов(Фиг. 2 и 3) для простоты рассмотрения построеныдля углов коммутациитока в Фазах ЗМП 2 и генератора 1,равных Фг1 = 0 (принудительнаякоммутация), При наличии углов коммутации вычислительные устройства 9и 10 определяют проекции переменных 50 Аналогично можно устранить пульсации эквивалентного выпрямленного. тока и момента, обусловленные Фазовым регулированием напряжения генератора 1 и дискретным характером5 изменения вектора тока якоря генератора 1. Для этого проекцию вектора основного потокосцеппения якоря генератора 1 на направление Е, ортого нальное вектору. тока якоря генератора 1 1 , необходимо поддерживать равной ее среднему значению путем регулирования тока возбуждения генератора 1 по продольной оси й, для 15 чего необходимо компенсировать переменную составляющую проекции вектора основного потокосцепления Ь 55 г в выражении электромагнитного момента (Фиг, 3): составляющих основного потокосцепления Ь, 6 (1с учетом их амплитуд и Фаз на коммутационном интервале, При этом регуляторы 11 и 12 тока позволяют с достаточной для практики точностью поддерживать как в статике, так и в динамике проекции векторов основного потокосцепления р о4 на уровне, соответствующем их средним значениям, включая и коммутационные интервалы, Первые слагаемые в выражениях (2) и (4) Формируются с помощью вычислительных устройств 9 и 10, выходные сигналы которых подаются на первые входы пропорционально-интегральных регуляторов 11 и 12 тока, на вторые входы которых подаются сигналы, пропорциональные токам возбуждения дополнительных продольных обмоток 21 и 24 возбуждения генератора 1 и ЭМП 2, Масштабные козФФициенты на входах регуляторов 11 и 12 выбираются так, что суммарный сигнал определяется выражениями (2) и (4),За счет интегральных составляющих на выходах регуляторов 1 и 12 вырабатывается сигнал, обеспечивающий после усиления усилителями 13 и 14 необходимое напряжение на дополнительных обмотках 21 и 24 возбуждения генератораи ЭМП 2, требуемое для поддержания проекции вектора основного потокосцепления якоря генератоРа 1 и ЭМП 2 (1 г и(1) на УРовне, равном их средним значениям, Выбор соответствующих передаточных Функций регуляторов 11 и 12 тока дополнительных обмоток 21 и 24 возбуждения обеспечивает динамику процесса регулирования возбуждения.Вычислительные устройства 9 и 10 предназначены для определения переменных составляющих проекций векторов основного потокосцепления генератора 1 и ЗМП 1 на оси, ортогональные векторам токов обмоток якоря генератора 1 и ЭМП 2, и моделирования части потокосцеплений дополнительных обмоток 21 и 24 возбуждения генератора 1 и ЭМП 2 согласно выражениям (2) и (4), Для этого применяется первый координатный преобразователь 25, который состоит из типовых множительных и суммирующих элементов и реализует преобразование тока от Фазовых составляющих к продольной и поперечной составляющим по сигналам6210 9 .1 5346 датчиков 17 н 18 и по сигналам датчиков 5 или 7 углового положения роторов генератора 1 или ЭИП 2. Моделирование основных потокосцеплений якоря по осям 6, с 1 осуществляется в блоке 27 моделирования продольной и поперечной составляющих потокосцеплений (Фиг. 5). Нелинейные элементы 31 и 32 имеют одинаковые характеристики и определяют зависимость основного потока у от результирующей намагиичивающей силы 1, т.е. (= = Г, Намагничивающие силы 1, одной половины полюса определяются суммой намагиичивающих сил по продольной и поперечной осям (фиг. 5)МВ 0,5(В + Ю),111 0,5(У, + 11),% адругой половини полюса х - разностью Этим намагиичивакнщим силам соответствуют потокосценления), и ц, т.е.выходы нелинейных элементов 31 и 32 Масштабные коэициенты усилителей33 и 34 выби.аагая так, что суммарные сигнал на выходах этих усилителей определяются выражениями Далее составляющие основного потокосцепления по осям 4, 9 поступают вовторой координатныйпреобразователь26, состоящий иэ типовых множительных и суммирующих элементов и осуществляющий переход из продольной ипоперечной составляющих основногопотокосцепления к составляющей основного потокосцепления(р, ортогональйой вектору тока якоря, по следующему соотношению:В 6 Ч" соз -1 здпС,ь" 1Составляющая основного потокосцепленияподается на вход блока 28выделения среднего значения, на выходе которого получают среднее значение основного потокосцепления о,Блок 28 может быть выполнен в виде 25 за 35 40 4 50 55 интегратора. Переменную составляющую основного потокосцепления А бполучают на выходе блока 29 суммирования как разность составляющихиподаваемых на вход блока 29 суммирования. На выходе блока 30 деления получают сигнал, необходимый для моделирования потокосцепления продольной дополнительной обмотки 2 или 24 возбуждения Генератор 1 и ЭИП 2 (Лиг. 6 и 7) выполнены скомбинированным возбужде" кием, при этом якори генератора 1 и ЭИП 2 содержат ш,-фаэную генератора 1 и т -разную ЭИП 2 кольцевые обмотки 19 и 22, жестко закрепленные на тороидальном магнитопроводе 35, зафиксированном неподвижно относительно корпуса 36 с помощью наружной немагнитной втулки 37, а индукторы 20 и 23 генератора 1 и ЭИП 2 расположены с двух торцовых сторон якоря и состоят из магнитопроводящих секторов 38, образующих многополюсную систему, жестко закрепленных на внутренней и внешней магнитопроводящих втулках 39 и 40, разделенных между собой немагнитной втулкой 41 индукторов 20 и 23 генератора 1 и ЭМП 2.Число магнитопроводащих секторов 38 равно числу полюсов, оси секторов 38, примыкающих к одной стороне якоря, совпадают с осью секторов 38, примыкающих к другой стороне якоря. Внутренняя магеитопроводящая втулка 39 жестко закреплена на валу 42, внешняя магнитопроводящая втулка 40 жестко прикреплена к внутренней магнитопроводящей втулке 39 через не- магнитную втулку 41 индукторов 20 и 23 генератора 1 и ЭИП 2. Нри этом на магнитопроводящих секторах 38 внутренней магнитопроводящей втулки 39, примыкающих к одной стороне якоря, закреплены полюсы 43 из магнито-. твердого материала одной полярности, а примыкающих к другой стороне яко- ря - полюсы 43 из магнитотвердого материала другой полярности, на магнитонроводящих секторах 38 внешней магнитопроводящей втулки 40 закреплены полосы 44 из магнитомягкого материала.Дополнительные обмотки 21 и 24 генератора 1 и ЭИП 2 выполнены в ви 1534662 12де цилиндрической катушки 45, закрепленной неподвижно относительно сектора через внутреннюю немагнитную втулку 46 и расположенной в пространстве, ограниченном внутренним диамет" ром кольцевых обмоток 19 и 22 генератора и ЭИП 2 и наружным диаметром внешней магнитопроводящей втулки 40, с торцов обмотки 21 и 24 возбуждения генератора 1 и ЭМП 2 примыкают через рабочий зазор к внутренним торцовымповерхностям магнитопроводящих секторов 38. К наружной торцовой поверхности магнитопроводящих секторов 38одной активной стороны индукторов 20и 23 генератора 1 и ЭМП 2, напримерправой, прикреплен ротор 47 датчикауглового положения, выполненного ввиде бесконтактного синусно-косинусного вращающегося трансформатора дискового типа с кольцевыми высокочастотными трансформаторами 48, статор 49 которого закреплен на внутренней торцовой поверхности подшипникового щита 50.Принцип действия электрических манин синхронного типа с комбинированным возбуждением известен, Лучшееиспользование активного объема машины достигается в машинах за счет второй активной стороны катушки статора. При этом улучшается тепловое состояние машины, так как увеличивается теплоохлаждающая поверхность обмоток статора. Дополнительная обмотка возбуждения машины, почти не увеличивая занимаемого машиной объема, приводит к образованию дополнительного электромагнитного момента, причем этот момент изменяется по величине в соответствии с сигналом управления. Наличие двух магнитопроводящих контуров (контура магнитоэлектрического типа и контура электромагнитного типа) позволяет осуществлять независимое электромеханическоп преобразование с суммированием электромагнитных моментов на общем валу. Расширение функциональных возможностей в электрических машинах такого типа позволяет использовать их как в качестве генераторов с регулируемым напряжением, так и в качестве двигателей, управляемых по моменту и частоте вращения,Формула изобретения1, Автономная система электрооборудования с вентильным электродвигателем, содержащая 2 р -полюсныйш,-фазный генератор переменного токаи вентильный электродвигатель, включающий в себя 2 р -полюсный ш -фазный 5электромеханический преобразователь,обмотки якорей которых выполнены покольцевой схеме и связаны через преобразователь частоты, управляющийвход которого подключен к выходу системы управления, снабженной входамидля регулирования угла запаздыванияи угла опережения и информационными входами, подключенными соответственно к выходам датчиков угловогоположения ротора электромеханического преобразователя и генератора,п 1,-фазный датчик тока якоря генератора и ш-фазный датчик тока якоряэлектромеханического преобразователя, отличающаяся тем,что, с целью уменьшения пульсацийвращающего. момента, улучшения энергетических, динамических, массогаба ритных показателей и расширения диапазона регулирования частоты вращения, в нее дополнительно введеныпервое и второе вычислительные устройства, два пропорционально-интегральных регулятора тока, два усилителя тока и два дополнительных датчика тока, система управления снабжена двумя дополнительными выходами,а индуктор электромеханического пре"образователя и индуктор генератораснабжены дополнительной обмоткой возбуждения, каждая ось которой совпадает с осью полюсов соответствующегоиндуктора, обмотки якоря генератора 40 и электромеханического преобразователя выполнены кольцевыми, каждаяфаза обмоток якоря электромеханичес"кого преобразователя и генераторавыполнена из двух ветвей, располо"женных одна относительно другой наугол й/р у генератора и Ф/р уэлектромеханического преобразователяи соединенных между собой своими1разноименными выводами, дополнитель"ная обмотка возбуждения генератораподключена к выходу первого усилителя тока через первый дополнительный датчик тока, вход первого усилителя подключен к выходу первого пропорционально-интегрального регулятора, первый вход которого подключенк выходу первого вычислительногоустройства, а второй вход объединенс первым входом первого вычислитель 13141534 ЬЬ 2ного устройства и подключен к выходу первого дополнительного датчика тока, второй двухканальный вход первого вычислительного устройства под 5 ключен к первому дополнительному выходу системы управления, а ш 1-фазный вход этого вычислительного устройства подключен к выходу ш,-фазного датчика тока якоря генератора, дополнительная обмотка возбуждения электромеханического преобразователя подключена к выходу второго усилителя тока через второй дополнительный датчик тока, вход второго усилителя подключен к выходу второго пропорционально-интегрального регулятора, первый вход которого подключен к выходу второго вычислительного устройства, а второй вход объединен с первым входом второго вычислительного устройства и подключен к выходу второго дополнительного датчика тока, второй двухканальный вход второго вычислительного устройства подклю чен к второму дополнительному выходу системы управления, а ш -фазный вход этого вычислительного устройства подключен к выходу ш -фазнЬго датчика тока якоря электромеханического преобразователя, причем каждое вычислительное устройство включает в себя два координатных преобразователя, блок моделирования потокосцеплений якоря блок выделения среднего знаЭ35 чения, блок суммирования, блок деления, выход которого является выходом вычислительного устройства, а вход делимого подключен к выходу блока суммирования, первым входом соединенного с выходом блока выделения среднего значения, вход которо,го соединен с вторым входом блока суммирования и выходом второго координатного преобразователя, первый н второй входы которого соединены с первым и вторым выходами блока моделирования потокосцеплений якоря, первым и вторым входами соединенного с первым и вторым выходами первого координатного преобразователя, тре 50 тьим входом - с ис точником зкв ив алентного сигнала, а четвертый вход блока моделирования является первым входом вычислительного устройства, вход делителя блока деления, третий вход второго координатного преобразователя и первый вход первого координатного преобразователя объедине" ны и представляют собой первый каналвторого двухканального входа вычислительного устройства, четвертыйвход второго координатного преобразователя, второй вход первого координатного преобразователя объединены и представляют собой второй каналвторого двухканального входа вычислительного устройства, а ш -фазныйвход первого координатного преобразователя является ш -фазным входомвычислительного устройства. 2. Система по и. 1, о т л и ч а - ю щ а я с я тем, что генератор и электромеханический преобразователь выполнены с комбинированным возбуждением, при этом кольцевые обмотки якоря генератора и электромеханического преобразователя, жестко закреплены на тороидальном магнитопроводе, зафиксированном неподвижно относительно корпуса с помощью наружной немагнитной втулки, а индуктор расположен с двух торцовых сторон якоря и состоит из магнитопроводящих секторов, образующих многополюсную систему, жестко закрепленных на внутренней и внешней магнитопроводящих втулках, разделенных между собой немагнитной втулкой индуктора, число магнитопроводящих секторов равно числу полюсов, оси секторов, примыкающих к одной стороне якоря, совпадают с осью секторов, примыкающих к другой стороне якоря, внутренняя магнитопроводящая втулка жестко эак" реплена на валу, внешняя магнитопроводящая втулка жестко прикреплена к внутренней маГнитопроводящей втулке через немагнитную втулку индуктора, на магнитопроводящих секторах внутренней магнитопроводящей втулки, примыкающих к одной стороне якоря, закреплены полюсы из магнитотвердого материала одной полярности, а примыкающих к другой стороне якоряполюсы из магнитотвердого материала другой полярности, на магнитопроводящих секторах внешней магнитопроводящей втулки закреплены полюсы из магнитных материалов, дополнительная обмотка возбуждения выполнена в виде цилиндрической катушки и расположена в пространстве, ограниченном внутренним диаметром кольцевой обмотки ста" тора и наружным диаметром внешней магнитопроводящей втулки индуктора, 15. 1534662а с торпов обмотка возбуждения примькает через рабочий зазор к ннутренним торцовым поверхностям магнитопроводящих секторов.

Заявка

4275862, 18.05.1987

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОМАШИНОСТРОЕНИЯ

ЕВСЕЕВ РУДОЛЬФ КИРИЛЛОВИЧ, САЗОНОВ АРЕФИЙ СЕМЕНОВИЧ

МПК / Метки

Код ссылки

Автономная система электрооборудования с вентильным электродвигателем

Похожие патенты

К рангов приоритетов 4 р содержит третью группу элементов И, группу элементов НЕ и третью группу элементов ИЛИ, причем старший по рангу К -вход узла соединен с его К-выходом,(К)-вход связан с первым входом элемента И третьей группы, выход которого подсоединен к (К) - выходу узла, а второй вход этого элемента И связанс выходом элемента НЕ, вход которого соединен с К входом узла, последующие (К)-входы узла связаны с соответствующими первьми входами элементов И третьей группы, выходы которых являются выходами (К) рангов приоритета узла, а вторые входы этих элементов И третьей 55 группы соединены с выходами элементов НЕ, входы которых связаны с соответствующими выходами элементов ИЛИ третьей группы, входы последних связа" ны с предыдущими...

Появление силовых транзисторов на токи порядка десятков и сотен ампер способствовало разработке ряда вариантов тяговых электроприводов с транзисторными силовыми преобразователями в цепи якоря двигателя постоянного тока с независимым возбуждением. Типичными для этого направления являются работы французской фирмы «Рагоно» и американских - «Дженерал Электрик» и «Крайслер».

Фирмой «Рагоно» создан электропривод для й полной массой около 1200 кг, причем в качестве опытных образцов использовались конвертированные автомобили «Рено 5Л (Reno-ult 5L»). Привод осуществляется от двигателя номинальной мощностью 6 кВт при номинальной частоте вращения 5000 мин-1 и напряжении 96 В. В схеме электропривода предусмотрено два транзисторных импульсных преобразователя. Силовой преобразователь в цепи якоря состоит из параллельного соединения 11 групп по три транзистора в каждой. При номинальном токе якоря двигателя 75 А и кратности максимального тока около 4 А максимальная токовая нагрузка на транзистор не превышает 10 А. Каждая группа транзисторов снабжена защитной индуктивностью и обратным диодом. Силовой преобразователь работает с постоянной частотой коммутации 700 Гц и обеспечивает изменение относительной длительности импульсов выходного напряжения от 0,05 до 1. Регулирование скорости по возбуждению осуществляется до максимальной частоты вращения 7000 мин-1 с помощью транзисторного преобразователя, рассчитанного на изменение тока возбуждения от 2 до 8 А при постоянной частоте коммутации 1000 Гц.

Рис. 3.5. Схема электропривода электромобиля ETV-1 с транзисторным преобразователем фирмы «Дженерал электрик»

Принципиальная схема электропривода, разработанного фирмой «Дженерал Электрик» для экспериментального электромобиля ETV-1 фирмы «Крайслер», показана на рис. 3.5. По общей структуре этот электропривод близок к варианту двухзонного регулирования, приведенному на рис. 3.3. Двигатель постоянного тока независимого возбуждения М питается от тяговой батареи GB через силовой преобразователь цепи якоря. Обмотка возбуждения ОВ получает питание через преобразователь возбуждения ПВ.

Главной отличительной особенностью является использование мощных силовых транзисторов. Фирмой было предварительно проведено исследование ряда вариантов транзисторных преобразователей с использованием силовых транзисторов различных фирм 2SD648 фирмы «Тосиба» (Toshiba) на 200 А, 300 В; RSD-751 фирмы EVC на 100 А, 450 В и ряда других; после этого был разработан собственный силовой модуль (Ml-МЗ на рис. 3.5). Этот модуль представляет сборку из двух транзисторов по схеме Дарлингтона и шунтирующего обратного диода.

Параметры силового транзистора по схеме Дарлингтона:

Напряжение коллектор-эмиттер 350В

Напряжение насыщения при токе 200 А 1.6В

Номинальный ток 200 А

Коэффициент усиления по постоянному току при номинальном токе коллектора 250

Время спада тока коллектора 1,2 мкс

Время задержки 2,6 мкс

Два модуля Ml и М2 (рис. 3.5) соединены параллельно, и через них осуществляется импульсное питание якоря двигателя в режиме тяги. При этом в режиме разгона с максимальным ускорением ток достигает 400 А, причем допускаемая силовым преобразователем длительность такого тока составляет 1 мин. Для длительного режима номинальный ток преобразователя составляет 200 А, что согласовано с характеристиками применяемого электродвигателя, имеющего номинальный длительный ток 175 А.

В режиме электрического импульсного торможения якорь двигателя М замыкается транзисторным модулем МЗ, что позволяет иметь максимальный ток якоря при торможении 200 А в течение 1 мин и 100 А длительно. При периодическом замыкании цепи якоря происходит накопление электромагнитной энергии в индуктивностях якоря и добавочных полюсов двигателя, которая затем сбрасывается в аккумуляторную батарею GB по цепям обратных диодов силового преобразователя.

Индуктивность LI предназначена для защиты транзисторных модулей от перенапряжений при коммутации аппаратов в электроприводе. Сброс накопленной в этой индуктивности энергии при отключении цепи под током обеспечивает параллельная защитная цепь из вентиля VI и.резистора. Защита транзисторных модулей от недопустимых режимов при включении и выключении транзисторов производится специальными защитными цепями из конденсаторов CI, С2, вентиля V2 и резисторов Rl, R2. Кроме того, от перенапряжений цепи коллектор-эмиттер защищены диодами Зенера Z1 и Z2.

Транзисторный силовой преобразователь работает при сравнительно высокой частоте переключений. Эта частота непостоянная, а изменяется при изменении скважности, достигая максимальной величины 2000 Гц. Для компенсации индуктивного сопротивления аккумуляторной батареи и проводов монтажа вход силового преобразователя шунтирован батареей конденсаторов Ф суммарной емкостью 1200 мкФ.

Преобразователь возбуждения ПВ осуществляет регулирование тока возбуждения в пределах от 2,0 до 10,6 А при постоянной частоте коммутации выходного транзистора, равной 9500 Гц. Вентили КЗ-V5 служат для защиты выходного транзистора. Вместе с тем некоторые схемные особенности преобразователя ПВ определяются тем, что в электромобиле ETV-1 этот преобразователь выполняет вторую функцию - бортового зарядного выпрямителя. В этом режиме напряжение однофазной сети 115 В подается через мостовой однофазный выпрямитель (на схеме рис. 3.5 не показан) в точки а - плюсом и b - минусом. В цепи заряда тяговой батареи оказывается при этом включенной индуктивность L2, сглаживающая ток заряда батареи. В этом режиме преобразователь ПВ работает с переменной частотой коммутации 5-15 кГц и при регулируемом токе заряда от 2 до 24 А.

Реверсирование электродвигателя производится переключением полярности обмотки возбуждения ОВ с помощью контакторов ВиН.

Управление электроприводом предусматривается с помощью микропроцессора МП по структуре, показанной на рис. 3.5. Педали хода и торможения связаны с задающими потенциометрами, которые определяют сигналы управления тяговым и тормозным моментом. Магнитные датчики тока якоря двигателя ТЯ, тока возбуждения ТВ и тока батареи ТБ совместно с сигналами по напряжению батареи и частоте вращения двигателя ДС участвуют в процессе вычисления момента на валу. Через устройства интерфейса УВ и УТ микропроцессор управляет работой преобразователей питания якоря и возбуждения ПВ в соответствии с заданным тяговым или тормозным моментом. Так как при форсировке тока возбуждения двигателя до 10,6 А частота вращения двигателя составляет 1800 мин-1, то работа преобразователя питания якоря происходит в зоне от этой скорости и почти до нуля. При частоте вращения от 1800 до 5000 мин-1 силовой преобразователь питания якоря находится в режиме насыщения и, кроме того, шунтируется контактором КШ. По этой шунтирующей преобразователь цепи осуществляется и режим генераторного торможения на больших частотах вращения.

Современные конструкции электродвигателей постоянного тока с независимым возбуждением, регулируемым в достаточно широких пределах, создают основу для построения тяговых электроприводов, не имеющих импульсных преобразователей со сложными устройствами принудительной коммутации тиристоров в якорной цепи двигателя. Такие электроприводы разработаны в СССР лабораторией НАМИ, а за рубежом - рядом японских фирм.

Электромобили двигаются под действием электричества, которое первоначально попадает к ним из обычной домашней электросети и запасается в автомобильных перезаряжаемых аккумуляторах.

Такому автомобилю не нужна коробка передач, применяемая в двигателях внутреннего сгорания. Потому что вал электродвигателя здесь присоединен прямо к колесу. Электричество питает мотор, и мотор крутит колесо, которое двигает машину. Сейчас сделаны опытные электромобили с одноразовым запасом энергии на борту, достаточным для 130-мильного пробега. Эти автомобили намного меньше загрязняют окружающую среду и работают значительно тише, чем автомобили, "кушающие" бензин. Пожалуй, главным недостатком электромобиля является то, что ему требуется шесть часов на полную зарядку аккумуляторов.

Автомобиль с автоматической коробкой передач

Если взглянуть на приборную панель электромобиля (рисунок выше), то видно, как просто сделан рычаг управления передачами, - по той причине, что в машине нет коробки передач. Все, что должны показывать приборы на панели, это число оборотов в минуту двигателя, скорость автомобиля и уровень зарядки электрической батареи.

Каким образом электрическая энергия вращает колеса

Принципиальная схема электромобиля

Электромобиль движется под действием электрической энергии, которую он первоначально запасает в своих аккумуляторах (рисунок ниже). При движении автомобиля электрическая энергия приходит на электромагнитный разъем. Оттуда под управлением водителя и сигналов от датчиков энергия поступает на электродвигатели, которые крутят колеса и заставляют автомобиль двигаться.

Подзарядка "севших" аккумуляторов электромобиля

Схема заряда аккумуляторов электромобиля

Электро-зарядное устройство автомобиля нужно для того, чтобы бортовые аккумуляторы накопили новую электрическую энергию взамен истраченной на движение автомобиля. Устройство получает энергию для зарядки через обычную электро-розетку, какие стоят в жилых домах.

Энергия передается прямо на колеса

Мощный постоянный магнит, находящийся внутри электродвигателя, позволяет вращать колесо без ведущего вала и шестеренок, применяемых в обычных автомобилях. Поэтому в электромобиле нет дифференциала, передаточных устройств с шестеренками и коробки передач. Энергия там идет от электродвигателя прямо на колеса.

В модели электромобиля "Дестини 2000" (Destiny 2000 ) сочетается применение солнечных панелей и аккумуляторов с кузовом из стекловолокна.

Последнее десятилетие электромобили уверенно завоевывают рынок автотранспортных средств.

Этому способствует множество факторов:

Массовый переход к электротранспорту тормозят следующие не полностью решенные проблемы и недостатки электромобилей:

  • низкая емкость аккумуляторных батарей, соответственно, небольшой пробег авто без подзарядки;
  • высокая стоимость блока аккумуляторов, недолговечность;
  • неразвитая сеть подзарядочных станций, большое время обслуживания (заряда) аккумуляторов даже в скоростном режиме;
  • наличие в электрических блоках управления и электропроводке высоких, опасных для водителя и пассажиров, напряжений;
  • утилизация аккумуляторных батарей электромобилей наносит вред окружающей среде;
  • большинство электронных блоков автомобилей, в том числе и аккумуляторная батарея, ремонтируются агрегатным методом, то есть заменяются полностью на исправные;
  • ресурс работы современных электродвигателей недостаточно большой;
  • работа системы отопления салона авто в холодное время года значительно увеличивает энергопотребление электромобиля;
  • остаются нерешенными проблемы использования электромобилей в грузоперевозках на дальние расстояния.

Очевидно, этот список значительно длиннее.

Разработчики ведущих автопроизводителей совершенствуют устройство электромобиля (электродвигатели, аккумуляторные батареи, зарядные станции и др.), приближая эру электротранспортных средств индивидуального пользования.

В терминологии автомобилестроения дается четкое понятие, что такое электромобиль: «Транспортное средство, основным движителем которого является электропривод».

Одним из основных преимуществ электродвигателя по сравнению с ДВС является высокий коэффициент полезного действия – до 95%. Считается, что электромобиль абсолютно экологичен. Это не совсем так. Производство электроэнергии в большинстве стран базируется на теплоэлектростанциях, которые сжигают топливо, нанося вред окружающей среде. Не менее опасны АЭС. Развитие рынка электромобилей рационально рассматривать с увеличением доли «зеленой» электроэнергии: солнечные батареи, энергия ветра и другие.

В системах авто с ДВС применяются в основном электродвигатели постоянного тока: стартеры, приводы щеток, вентиляторов, бензонасоса, различных регуляторов. Эти электродвигатели для передачи тока к вращающемуся ротору используют систему «щетки-коллектор», поэтому называются коллекторные. В электромобилях для обеспечения высокого вращающего момента необходимо протекание больших токов. Искрение щеток во время движения по ламелям коллектора приводят к преждевременному износу этой зоны. Поэтому в электромобилях обычно применяют бесколлекторные двигатели.

Для того чтобы уменьшить величину тока, протекающего через обмотки электродвигателя, согласно закону Ома, необходимо увеличивать питающее напряжение. В этом смысле наиболее эффективны трехфазные электродвигатели переменного тока: синхронные (например, на Mitsubishi i-MiEV) или асинхронные (на Chevrolet Volt).

Сейчас ведутся разработки высокоэффективных электродвигателей с минимальными размерами и массой. Привод от производителя Yasa Motors имеет массу 25 кг, достигая крутящего момента 650 Нм. Самый мощный электромобиль Venturi VBB-3 имеет электродвигатель 3 тыс. л. с.

Аккумуляторная батарея электромобиля

Тяговая аккумуляторная батарея электромобиля имеет существенные отличия от АКБ автомобилей с ДВС.
Прежде всего, выходное напряжение аккумуляторных батарей электромобилей с целью уменьшения токов, соответственно тепловых и энергопотерь, значительно выше, чем традиционные 12 вольт. Например, в первые автомобили марки Lola-Drayson разработчики выбирали аккумуляторные батареи емкостью 60 кВт*час номинальным напряжением 700 В. Нетрудно подсчитать, что при мощности электродвигателя 200 кВт такой автомобиль может проехать без подзаряда не более 15 минут. В условиях кольцевых автогонок на спортивных электрокарах необходимо производить замену аккумулятора чаще, чем колес. Гоночный электромобиль ближайшего будущего способен разогнаться до 100 км/час за одну секунду.

Большинство аккумуляторных батарей для электромобилей имеет встроенный контроллер процесса заряда батареи по аналогии с аккумуляторами для ноутбуков, только на более высоком уровне. Кроме этого, в мощные аккумуляторные блоки устанавливают встроенную систему жидкостного охлаждения, которая также увеличивает их массу.

Трансмиссия электромобилей

Один из положительных технических моментов при проектировании электромобилей – возможность упрощенной трансмиссии. Некоторые модели имеют одноступенчатый редуктор. В электромобилях с двигателями, вмонтированными в колеса (Active Wheel), трансмиссионная функция выполняется электронным методом. Это позволяет применить еще одну важную опцию: восполнение заряда аккумуляторной батареи в момент торможения «электродвигателем». Такой метод уже давно применяется в электротранспорте.

Особенность блоков управления электромобилей

Электрическая схема электромобиля имеет свои особенности в схемотехнике узлов контроля и управления. Большинство электрических систем в электромобилях строятся по традиционным схемам, рассчитанным на напряжение бортовой сети 12 В. Поэтому необходима установка в электромобиль дополнительной схемы инверторного преобразователя напряжения высокого напряжение аккумулятора в напряжение бортовой сети 12 В. В большинство моделей устанавливается дополнительная 12-вольтная аккумуляторная батарея небольшой емкости. Принцип работы основных систем электромобиля (ABS, ESP, кондиционера и других) не меняется.

Для обеспечения максимальной эффективности использования емкости аккумуляторной батареи климат-контроль автомобиля в холодное время года использует предподогрев от стационарных источников перед поездкой, затем энергия батареи расходуется только на поддержание температуры в салоне машины. Поэтому особое внимание конструкторы уделяют применению современных теплоизоляционных материалов в отделке салона. Актуально в этом смысле использование нанотехнологичных материалов.

Системы световых излучателей машины (повороты, ближний/дальний, габариты, салонные и другие) используются, в основном, светодиодного энергосберегающего типа. Принцип работы электрооборудования автомобиля основан на бесконтактных электронных системах управления.

Блок управления электродвигателем (двигателями) представляет, по сравнению с аналогичными блоками для ДВС, высокопроизводительный вычислительный комплекс, который контролирует работу большинства энергозначимых узлов с точки зрения достижения максимальной эффективности использования емкости аккумуляторной батареи. Он производит:

  • распределение энергии между электроприводами;
  • регулирование тяги;
  • мониторинг узлов и систем электромобиля;
  • управление динамикой авто;
  • контроль напряжений питания бортовых систем;
  • использование дистанционного мониторинга.

Электромобиль не роскошь

Перспективы электромобилей ближайшего будущего:

  • пробег без подзаряда до 500 км;
  • динамика разгона – менее 3 секунд до 100 км/час (легковые электромобили);
  • стоимость аккумуляторной батареи средней мощности – менее 7 тыс. USD;
  • время быстрого заряда – менее 15 минут.

Электромобиль ближайшего будущего будет оснащен беспилотными системами управления и навигации.


Если вы решили присоединиться к пока немногочисленной армии электромобилистов, прежде всего необходимо изучить, как работает электромобиль и его основные системы.

Несколько советов при решении задачи, какой электромобиль выбрать:

  • без пробега или с небольшим сроком эксплуатации, но с новой аккумуляторной батареей;
  • с опцией быстрого заряда аккумулятора;
  • со стажем выпуска модели не менее 2-х лет (за это время проблемы электромобилей данного модельного ряда успеют проявить себя).

Будущее – за электромобилями!