Pojazd elektryczny z układem napędowym z silnikiem indukcyjnym klatkowym
Pojazd elektryczny z układem napędowym z silnikiem
indukcyjnym klatkowym
Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego
Jarosław Guziński
Katedra Automatyki Napędu Elektrycznego WEiA
Politechnika Gdańska 2013
wersja 1.6
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z pojazdem elektrycznym, w którym do napędu
zastosowano silnik indukcyjny klatkowy z falownikiem napięcia. W ćwiczeniu wykonywane
są pomiary w trakcie jazdy pojazdu pozwalające na poznanie właściwości trakcyjnych.
2. Elektryczność jako nośnik energii pojazdów
Autonomiczne pojazdy elektryczne wymagają zasilania w postaci baterii akumulatorów.
Najpopularniejsze, źródło zasilania pojazdów elektrycznych, z uwagi na cenę i
niezawodność, stanowią nadal klasyczne akumulatory kwasowo–ołowiowe. Stosunkowo
niska cena tego typu akumulatorów wynika z ich masowej produkcji z przeznaczeniem
głównie do napędu pojazdów elektrycznych stosowanych w przemyśle np. wózków
widłowych. Przykładem są akumulatory produkowane przez firmę Trojan [1]. Akumulatory
tego typu są najczęściej stosowane przez pasjonatów zajmujących się budową samochodów
elektrycznych.
Wadą akumulatorów klasycznych jest ich duża objętość i waga, co znacząco ogranicza
zasięg jazdy pojazdów elektrycznych i stanowi tym samym czynnik niesprzyjający
popularyzacji pojazdów elektrycznych.
Produkowane są obecnie również nowe rodzaje akumulatorów takich jak: niklowo–
kadmowe NiCd, niklowo–metalowo–wodorowe NiMH, litowo–jonowe Li–ion, litowo–
jonowo–polimerowe LiPo czy inne. Rozwój nowych technologii związany jest głównie z
popularyzacją przenośnego sprzętu elektronicznego, jak np. telefony komórkowe i komputery
przenośne. Akumulatory wykonane w nowych technologiach charakteryzują się, w
porównaniu ze zwykłymi akumulatorami kwasowymi, znacznie większą gęstością mocy,
mniejszą wrażliwością na warunki środowiskowe oraz najczęściej większą ilością cykli pracy.
Pojazdy elektryczne wyposażone w takie akumulatory mogą osiągnąć obecnie zasięg nawet
do 500 km. Jednak akumulatory te są znacznie bardziej kosztowne od akumulatorów
kwasowych. Przykładem nowoczesnych akumulatorów przeznaczonych do napędu pojazdów
elektrycznych są, wykonane w technologii Li-ion baterie produkowane przez firmę
GLOBALPOWER [2] typu GMP95180280 – tab. 1.
Tab. 1.Przykładowe parametry baterii Li-ion.
Model
GMP95180280
Pojemność
znamionowa
Typowa
[Ah]
210
Minimaln
a[Ah]
200
Napięcie
znamionow
e
[V]
3.7
Wymiary
Wag
a
Długość Szerokość Wysokość
[g]
[mm]
[mm]
[mm]
280
180
95
6000
1
Pojazd elektryczny z układem napędowym z silnikiem indukcyjnym klatkowym
Porównanie baterii akumulatorów kwasowo–ołowiowych oraz litowo-jonowych o
zbliżonej pojemności i napięciu, przeznaczonej do napędu samochodu elektrycznego
przedstawiono w tab. 2.
Tab. 2.Porówanie baterii kwasowo-ołowiowych oraz baterii litowo–jonowych przy
zastosowaniu w samochodzie elektrycznym
Parametr
Li-ion
GMP95180280
Klasyczne kwasoweTrojan T-105
Ilość akumulatorów
Łączne napięcie
Ciężar
Pojemność
Ilość cykli pracy
Czas ładowania
Cena (III.2007r)
21 szt.
77.7 V
126 kg
210 Ah
500 cykli
3.5 godz
29000 zł
14 szt.
84 V
395 kg
180 Ah
500 cykli
12 godz
14x366=5125 zł
Duża różnica w cenie baterii akumulatorów z tab. 2 wynika częściowo z tego, że baterie
Li-ion do pojazdów elektrycznych nie są powszechnie dostępne. Baterie Li-ion typu GMP
wymagają jednostkowego zakupu i transportu od producenta w Chinach.
Wzrost zainteresowania pojazdami elektrycznymi pozwala mieć nadzieję na obniżenie
ceny nowoczesnych akumulatorów.
3. Superkondensatory
Jedną z zalet pojazdów elektrycznych jest możliwość gromadzenia energii hamowania
pojazdu. Wymaga to odpowiedniej budowy przekształtnika energoelektronicznego i
odpowiedniego sterowania pojazdem. Jest to jednak warte wykorzystania, gdyż przy
typowym ruchu miejskim w cyklu podobnym do jazdy samochodem spalinowym, możliwe
jest uzyskanie oszczędności energii na poziomie 20%. W samochodzie elektrycznym ma to
przełożenie na odpowiednie wydłużenie zasięgu jazdy.
Gromadzenie energii hamowania pojazdu wymaga jednak odpowiedniego typu
akumulatorów, mogących, bez szkody dla swojej żywotności, przyjąć chwilową dużą wartość
prądu hamowania. Niestety w przypadku popularnych akumulatorów kwasowo–ołowiowych,
ich żywotność znacznie się skraca przy doładowywaniu ich chwilową dużą wartością prądu.
Rozwiązaniem problemu efektywnego gromadzenia energii hamowania pojazdu
elektrycznego może być zastosowanie superkondensatorów. Superkondensator jest
kondensatorem elektrycznym wykonanym w technologii zapewniającej uzyskanie bardzo
dużej pojemności – rzędu faradów. Kondensatory te bez szkody dla swojej żywotności mogą
być rozładowywane i ładowane dużymi prądami. W pojeździe elektrycznym powinny być
zastosowane do pracy buforowej z akumulatorem. W cyklu hamowania powinny gromadzić
całą energię hamowania, która następnie powinna być wykorzystana przy rozruchu pojazdu.
Układy napędowe z superkondensatorami wymagają jedynie niewielkiej rozbudowy
przekształtnika energoelektronicznego pojazdu elektrycznego. Sprawność gromadzenia
energii przy zastosowaniu superkondensatorów jest większa niż w przypadku akumulatorów
chemicznych. Na razie cena superkondensatorów jest wysoka, lecz obserwowany jest
nieustanny spadek ich ceny. Ma to związek ze wzrostem liczby producentów
superkondensatorów oraz rozwojem technologii produkcji.
4. Właściwości napędowe pojazdów elektrycznych [3-8]
Z uwagi na właściwości napędowe silników pojazd z napędem elektrycznym ma
zdecydowana przewagę nad pojazdem z silnikiem spalinowym. Wynika to z tego, że silnik
2
Pojazd elektryczny z układem napędowym z silnikiem indukcyjnym klatkowym
elektryczny może rozwijać maksymalny moment już w momencie startu począwszy od
zerowej prędkości pojazdu. W przypadku silnika spalinowego pojazd musi startować od
pewnej prędkości obrotowej o wartości minimalnej większej od około 1200 obr/min dla
silników z zapłonem iskrowym. Stąd konieczność zastosowania sprzęgła w pojazdach
spalinowych, które jest zupełnie niepotrzebne w pojazdach elektrycznych. Silnik spalinowy
wytwarza moment maksymalny jedynie w wąskim zakresie obrotów silnika co narzuca
również konieczność zmiany przełożeń w zależności od prędkości pojazdu – rys. 1.
Fn
Siła
maksymalna
Hiperbola równej mocy
P=const
I
II
Krzywa oporów jazdy
pod górkę
P2
III
IV
P1
Krzywa oporów jazdy
po płaskiej drodze
Prędkość
maksymalna
V
Rys. 1. Charakterystyki napędowe pojazdu z silnikiem spalinowym (I,..., IV – numery
przełożeń skrzyni biegów)
W przypadku silnika elektrycznego o odpowiednio dobranym momencie i prędkości
obrotowej zmiana przełożeń nie jest konieczna. Dla kierowcy pojazd z napędem
elektrycznym zachowuje się podczas użytkowania podobnie jak samochód spalinowy z
automatyczną zmianą biegów. Przy prędkości mniejszej od znamionowej punkt pracy silnika
elektrycznego na charakterystyce mechanicznej ograniczony jest maksymalnym momentem
silnika - tzw. obszar pracy ze stałym momentem. Przy prędkości wyższej od znamionowej
punkt pracy silnika ograniczony jest maksymalną mocą silnika i na charakterystyce
mechanicznej ograniczony jest krzywą opisaną wzorem M=P/, gdzie  to prędkość silnika
przy stałej mocy P=const. Przebiegi te idealnie odpowiadają wymaganiom charakterystyk
momentu oporowego pojazdów – rys. 2.
3
Pojazd elektryczny z układem napędowym z silnikiem indukcyjnym klatkowym
PRĘDKOŚĆ
OBROTOWA
ogranic zenie prędkości
ma ksy malnej
Maksyma lna
prędkość
obrotowa
II strefa regulacji
Znamiono wa
prędkość
obrotowa
ograniczenie mocy P=const.
M=P/
ograniczenie momentu M=cons t.
I strefa regulacji
Moment
przy prędkości
maksymalnej
Mo ment
ma ksymalny
MOMENT
OBROTOWY
Rys. 2. Obszar ograniczający położenie punktu pracy silnika elektrycznego
Rozpatrując dopuszczalny obszar pracy silnika trzeba uwzględnić to, że może się on
zmieniać, gdyż silnik elektryczny można na pewien czas przeciążyć. W kartach katalogowych
silników elektrycznych podaje się moc ciągłą oraz współczynnik przeciążalności maszyny.
Np. dla silnika indukcyjnego klatkowego przeciążalność wynosi około 3 razy moment
znamionowy silnika. Natomiast dla silników spalinowych podstawowym parametrem
katalogowym jest moc maksymalna. Wynika zatem z tego, że np. silnik elektryczny o mocy
ciągłej 7,5 kW odpowiada w przybliżeniu silnikowy spalinowemu o mocy maksymalnej 22,5
kW.
Dodatkowa przewagą silnika elektrycznego jest jego duża dynamika. Mechaniczna stała
czasowa silnika elektrycznego jest co najmniej o rząd wielkości mniejsza od silnika
spalinowego. Oznacza to, że silnik elektryczny może znacznie szybciej osiągnąć wysokie
obroty.
Obecnie praktyczne zastosowanie pojazdów z napędem elektrycznym, z uwagi na
zasięg, jest na razie ograniczone do ruchu miejskiego. Specyfika ruchu miejskiego podkreśla
wymienione wcześniej zalety pojazdu elektrycznego. W ruchu miejskim praktycznie
wykorzystuje się jedynie zakres prędkości obrotowych silnika do 3000 obr/min. Przy takim
zakresie prędkości zalety napędu elektrycznego w porównaniu z napędem spalinowym są
jeszcze bardziej widoczne. Silniki elektryczne pojazdów współpracujące z przekładnią
główną dobierane są tak aby ich prędkość znamionowa była bliska do 3000 obr/min. W
zakresie prędkości od 0 do znamionowej silnik może zatem cały czas pracować tak by
wytwarzać maksymalny moment.
Napędy bezpośrednie [8]
Interesującymi właściwościami charakteryzują się napędy bezpośrednie. Możliwości
konstrukcyjne umożliwiają bowiem budowę silników elektrycznych o bardzo niskich
prędkościach obrotowych oraz bardzo dużym momencie obrotowym. Takie silniki można
zastosować do napędu pojazdów eliminując jakiekolwiek przekładnie mechaniczne między
silnikiem a kołami. Taki wolnoobrotowe silniki, określane jako silniki momentowe, napędzać
mogą koła pojazdu za pośrednictwem odpowiedniego wałka lub silniki takie mogą być
wmontowane bezpośrednio w koło pojazdu. Dzięki takiemu rozwiązaniu eliminowany jest
4
Pojazd elektryczny z układem napędowym z silnikiem indukcyjnym klatkowym
hałas przekładni mechanicznej i zwiększa się sprawność całego układu przez wyeliminowanie
strat mocy w przekładni mechanicznej.
Sterowanie trakcją [9]
Możliwość zastosowania równocześnie kilku silników elektrycznych w napędzie pojazdu
pozwala na realizację zaawansowanych funkcji sterowania trakcją pojazdu. W pojazdach
elektrycznych stosowane są rozwiązania napędzania dwóch lub czterech kół pojazdu przy
zastosowaniu odpowiedniej ilości silników elektrycznych. Umożliwia to np. realizację funkcji napędu
na wszystkie koła charakterystycznej dla pojazdów terenowych. Możliwie jest też, jedynie przez
odpowiednie sterowanie silnikami, np. realizowanie funkcji likwidacji poślizgu kół przy rozruchu
(ASR) oraz blokowania kół przy hamowaniu (ABS) lub innych funkcji. Niezależne sterowanie
silników elektrycznych pozwala na uzyskanie większej precyzji sterowania układów ASR/ABS przy
równoczesnych krótszych czasach reakcji w porównaniu z napędami pojazdów spalinowych.
Dodatkowo, przy zastosowaniu nowych metod sterowania silników elektrycznych bez pomiaru
prędkości obrotowej (tzw. sterowanie bezczujnikowe) układy ASR/ABS w pojazdach elektrycznych
mogą być tańsze i bardziej niezawodne niż w pojazdach spalinowych.
5. Innowacje w silnikach i układach sterowania napędów pojazdów elektrycznych
Do budowy pojazdów elektrycznych stosowane są obecnie silniki prądu stałego oraz
prądu zmiennego. Zastosowanie silników prądu stałego ogranicza się obecnie do napędów
pojazdów elektrycznych przemysłowych (wózki widłowe i transportowe, wózki golfowe),
motorowerów oraz małych samochodów elektrycznych. Jednak również w tych pojazdach
coraz częściej stosowane są silniki prądu zmiennego.
Upowszechnienie technologii wytwarzania magnesów trwałych i spadek kosztów i
wytwarzania spowodował że coraz częściej w napędach pojazdów stosowane są silniki z
magnesami trwałymi, dotyczy to zarówno silników prądu stałego jak i silników prądu
zmiennego.
Właściwości trakcyjne pojazdu elektrycznego, polegające na konieczności wytworzenia
dużego momentu rozruchowego narzucały dawniej konieczność wykorzystania naturalnych
właściwości napędowych silników elektrycznych. Dlatego We wcześniejszych rozwiązaniach
pojazdów stosowane były praktycznie jedynie silniki szeregowe prądu stałego.
W obecnie stosowanych napędach pojazdów elektrycznych stosowane są
mikroprocesorowo sterowane układy zasilania energoelektronicznego. Odpowiednio
sterowane układy napędowe umożliwiają dowolne kształtowanie charakterystyk napędowych
przy pracy silnikowej i generatorowej. Dlatego przy rozważaniu rodzaju zastosowanego
silnika elektrycznego pojazdu należy się obecnie jedynie skupić nad sprawnością, wagą,
wymiarami, niezawodnością i ceną stosowanych silników.
Poniżej opisano wybrane interesujące rozwiązania związane z napędami pojazdów
elektrycznych.
Silniki indukcyjne klatkowe
Najtańszym i najbardziej niezawodnym silnikiem jest obecnie silnik indukcyjny
klatkowy. Silnik ten znalazł też powszechne zastosowanie w napędach pojazdów
elektrycznych. Z uwagi na brak elementów zużywających się jest to praktycznie silnik
bezobsługowy. Stąd chętnie stosowany jest np. w napędach nowoczesnych wózków
widłowych. Silnik indukcyjny cechuje się wysoką sprawnością w szerokim zakresie pracy.
Sprawność standardowego silnika klatkowego np. o mocy 7.5 kW wynosi 90%. Obecnie
jednak należy spodziewać się upowszechnienia silników klatkowych o podwyższonej
sprawności, w których tradycyjną klatkę aluminiową w wirniku zastąpiono klatką miedzianą.
Firma Siemens produkuje obecnie takie silniki, których niska cena wynika z opracowania
5
Pojazd elektryczny z układem napędowym z silnikiem indukcyjnym klatkowym
technologii odlewania klatki miedzianej [10]. Zastąpienie aluminium przez miedź daje w tych
silnikach znaczące zmniejszenie strat w uzwojeniach wirnika, strat mechanicznych oraz strat
rozproszenia. Sprawność silników z klatką miedzianą jest lepsza o około 1.2 punktów
procentowych w porównani z odpowiednikami z klatką aluminiową. Jednocześnie przyrost
temperatury silnika z klatką miedzianą zmniejsza się co umożliwia np. zmniejszenie
wymiarów i wagi silników przeznaczonych do napędów pojazdów elektrycznych.
Wielofazowe silniki indukcyjne klatkowe
W tradycyjnych silnikach prądu przemiennego moment generowany jest jedynie przez składową
podstawową momentu elektromagnetycznego. Wyższe harmoniczne momentu osłabiają moment na
wale silnika. Możliwe jest jednak zastosowanie silników o większej niż 3 ilości faz i przez
generowanie odpowiedniej harmonicznej napięcia uzyskanie dodatkowego momentu
elektromagnetycznego. Przykładem takich silników są silniki produkowane przez firmę Chorus Motor
silniki klatkowe serii Meshcom konstruowane jako maszyny pięciofazowe [11]. Silniki te
współpracują z falownikiem napięcia, który oprócz składowej podstawowej napięcia generuje piątą
harmoniczną , która z kolei wytwarza dodatkową składową momentu elektromagnetycznego silnika.
Powoduje to zmniejszenie wymiarów silnika i dodatkowo wpływa na zmniejszenie pulsacji momentu
wytwarzanych przez silnik. W pojeździe elektrycznym mniejsze pulsacje momentu na wale silnika
przekładają się na mniejszy hałas układu napędowego i większą trwałość układu mechanicznego
przeniesienia napędu. Przekształtniki do silników wielofazowych wymagają bardziej
skomplikowanego sterowania i są bardziej złożone. Ilość tranzystorów w falowniku silnika
wielofazowego rośnie ale jednocześnie są to tranzystory coraz mniejsze i tańsze, gdyż prąd zasilający
silnik rozkłada się na większą liczbę gałęzi falownika.
Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi
W nowoczesnych pojazdach elektrycznych stosowane są również silniki synchroniczne z
magnesami trwałymi. Sprawność tych silników w zakresie mocy stosowanych w pojazdach
elektrycznych jest bardzo wysoka i dochodzi do 95%. Pod względem sprawności stanowią więc
konkurencję dla silników indukcyjnych jednak w wyniku zastosowania magnesów trwałych są jak na
razie znacznie droższe od silników indukcyjnych. Wśród silników synchronicznych z magnesami
trwałymi , stosowanymi w pojazdach, można wyróżnić: silniki z magnesami trwałymi montowanymi
powierzchniowo na wirniku z sinusoidalnym (ang. Surface mounted Permanent Magnet Motors,
SPMSM) lub trapezoidalnym rozkładem siły elektromotorycznej (ang. Brushless Direct Current
Motors, BLDCM) oraz silniki synchroniczne z magnesami trwałymi zagłębionymi w wirniku (ang.
Internal Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM). Z uwagi na właściwości napędowe w
pojazdach elektrycznych szczególni godne polecenia są silniki typu IPMSM.
Korzyść z zastosowania silnika IPMSM wynika z konieczności odwzbudzania silnika przy
przejściu do zakresu dużych prędkości obrotowych. Dla silników z magnesami trwałymi
odwzbudzanie polega na zmniejszaniu strumienia magnetycznego wytwarzanego przez magnesy
trwałe w wyniku wytwarzania dodatkowego strumienia magnetycznego przez wymuszenie
odpowiedniego prądu w uzwojeniach stojana silnika. W silniku typu SPMSM w wyniku takiego
odwzbudzania sprawność silnika znacząco maleje. Dlatego w pojazdach z napędami elektrycznymi, w
których stosowane są silniki SPMSM, aby zachować wysoką sprawność silnika nie jest stosowane
odwzbudzanie. Napędy pojazdów z silnikami SPMSM nie pracują w zakresie prędkości większych od
znamionowych. Z uwagi na wymagania napędowe pojazdu silniki pracujące w takim, ograniczonym
zakresie prędkości, nie są optymalnie dobrane do charakterystyki pojazdu. W związku z tym
zastosowanie silników SPMSM ograniczone jest w praktyce jedynie do napędów pojazdów
poruszających się ze stosunkowo niskimi prędkościami np. rowery elektryczne czy motorowery.
Natomiast w przypadku silników typu IPMSM przy przejściu do zakresu wysokich prędkości
obrotowych i osłabianiu strumienia od magnesów trwałych sprawność silnika rośnie. Wynika to z
pojawienia się dodatkowego momentu reluktancyjnego będącego wynikiem niesymetrycznej
konstrukcji obwodu magnetycznego wirnika - rys. 3.
6
Pojazd elektryczny z układem napędowym z silnikiem indukcyjnym klatkowym
Stojan
Wirnik
Magnesy
trwałe
Rys. 3. Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi zagłębionymi w wirniku
Pojawienie się dodatkowej składowej momentu napędowego w silniku IPMSM w zakresie
dużych prędkości stanowi znaczącą zaletę zachęcającą do stosowania tego typu silników w pojazdach
elektrycznych.
Przykładem interesującego rozwiązania z silnikiem IPMSM jest napęd elektryczny drugiej
generacji samochodu hybrydowego Toyota Prius THS II. W Toyocie Prius THS II aby uzyskać
większe prędkości obrotowe silnika stosowane jest odwzbudzanie. Aby jednak zapewnić większą moc
silnika w zakresie wysokich prędkości obrotowych podnoszone jest napięcie zasilania falownika
sterującego pracą silnika elektrycznego [12] – rys. 4.
MOMENT NAPĘDOWY
Maksymalny
moment
Odwzbudzanie
THS II
THS
PRĘDKOŚĆ OBROTOWA
Rys. 4. Porównanie charakterystyk mechanicznych napędu elektrycznego w Toyocie Prius
THS oraz THS II.
Zwiększanie napięcia zasilania silnika z poziomu ok. 200V do napięcia około 500V w Toyocie
Prius THS II jest możliwe dzięki zastosowaniu przetwornicy energoelektronicznej podwyższającej
napięcie (ang. boost converter) – rys. 5.
7
Pojazd elektryczny z układem napędowym z silnikiem indukcyjnym klatkowym
Przekształtnik
zmieniający
poziom napięcia
+
ok. 500V
Silnik
IPMSM
Falownik
T
L
C
T
C
+
ok. 200V
Rys. 5. Układ energoelektroniczny zmieniający poziom napięcia baterii akumulatorów i
zasilania falownika zastosowany w Toyocie Prius THS II
Prace nad silnikami IPMSM są intensywnie kontynuowane również w Polsce. M.in. firma
KOMEL opracowała i produkuje serię silników typu IPMSM do zastosowania w napędach pojazdów
elektrycznych [13].
Silniki elektryczne z osiowym strumieniem magnetycznym
Duże znaczenie dla wymiarów silnika ma rozwiązanie obwodu magnetycznego. Dotychczas
stosowane rozwiązania z promieniowym przepływem strumienia magnetycznego są coraz częściej
zastępowane przez rozwiązania z osiowym przepływem strumienia. Silniki z osiowym przepływem
strumienia (budowa tzw. „naleśnikowa” – ang. pancake motor [4]) umożliwiają conajmniej dwukrotny
wzrost gęstości mocy maszyny co oznacza, że przy tej samej mocy silnika wymiary silnika z osiowym
strumieniem są dwukrotnie mniejsze niż silnika ze strumieniem promieniowym. Przekłada się to
oczywiście na wagę silników [14].
Silniki takie typu są obecnie produkowane jako silniki prądu stałego oraz synchroniczne z
magnesami trwałymi m.in. przez firmy: L.M.C. Ltd. silniki serii LEM [15], serii czy też PERM
MOTOR GmbH [16]. Do niedawne były też produkowane silniki osiowe typu E-tek [17].
Silniki z transwersalnym strumieniem magnetycznym [18]
Ostatnio intensywne prace prowadzone są nad silnikami z transwersalnym strumieniem w
których moment elektromagnetyczny generowany jest w wyniku przepływu strumienia
magnetycznego w układzie zarówno osiowym jak i promieniowy. W tych silnikach wzrost gęstości
mocy jest bardzo znaczący co przekłada się na redukcję ciężaru i wymiarów maszyny. Niestety silniki
z transwersalnym strumieniem są jeszcze na etapie rozwoju,. Główny problem w tych silnikach
wynika z konieczności zastosowania innego niż w zwykłych silnikach elektrycznych materiału
magnetycznego. Aby uzyskać wysoką sprawność silników z transwersalnym strumieniem nie mogą
być stosowane blachowane obwody magnetyczne gdyż są zbyt duże straty mocy na prądy wirowe.
Bardziej odpowiednim materiałem są w przypadku tych silników proszki żelaza. Niestety technologia
kształtowania proszków żelaza nie umożliwia na razie uzyskanie bardziej skomplikowanych kształtów
obwodu magnetycznego odpowiednich dla silników elektrycznych. Technologia silników ze
strumieniem transwersalnym wydaje się jednak technologią przyszłych silników samochodów
elektrycznych.
Chłodzenie silników elektrycznych w pojazdach
Zapewnienie dobrych warunków chłodzenia silnika np. przez zastosowanie chłodzenia wodnego
umożliwia znaczne uzyskanie redukcji wymiarów. Silniki elektryczne fabrycznych pojazdów
8
Pojazd elektryczny z układem napędowym z silnikiem indukcyjnym klatkowym
elektrycznych są zwykle wyposażane w instalację chłodzenia wodnego. W silnikach elektrycznych
tych pojazdów w stojanie umieszczane są kanały, przez które przepływa ciecz chłodząca, której
chłodzenie następuje w chłodnicy pojazdu. Często ten sam obieg chłodzenia wykorzystywany jest
również do chłodzenia przemiennika zasilającego silnik oraz chłodzenia akumulatorów. Część tego
ciepła można wykorzystać do ogrzewania kabiny pojazdu w okresie zimowym.
Szczególną uwagę należy zwrócić na chłodzenie silników z magnesami trwałymi. Silniki tego
typu nie powinny pracować z otwartym przepływem powietrza z powodu niebezpieczeństw
wciągnięcia drobin materiałów ferromagnetycznych do szczeliny powietrznej silnika. Może to bowiem
prowadzić do szybkiego uszkodzenia wirnika lub stojana silnika.
Układy energoelektronicznego zasilania silników pojazdów elektrycznych [19]
Najprostsze konstrukcyjnie rozwiązanie układów energoelektronicznych pojazdów
elektrycznych jest dla silników prądu stałego. Układ taki stanowi tranzystorowy przerywacz prądu.
Bardziej złożone układy zasilania konieczne są w przypadku napędów z silnikami prądu
przemiennego. Są to zwykle układy o strukturze falownika napięcia – rys. 6.
Rys. 6. Falownik napięcia
Wyjątkiem są układy zasilania silników reluktancyjnych przełączalnych, które
wymagają do zasilania przekształtników bipolarnych znanych z rozwiązań dla silników
skokowych [20].
W przekształtnikach energoelektronicznych pojazdów elektrycznych w większości
przypadków stosowane były dotychczas tranzystory typu MOSFET. Wynikało to z
konieczności zapewnienia jak największej sprawności takiego przekształtnika przy
stosunkowo niskim napięciu baterii akumulatorów pojazdu i dużych prądach płynących przez
układ. Powszechne w układach o zasilaniu sieciowym bardziej niezawodne tranzystory IGBT
przez długi czas nie mogły znaleźć miejsca w pojazdach elektrycznych. Obecnie jednak
opracowane zostały tranzystory IGBT o maksymalnym napięciu kolektor-emiter wynoszącym
250V. Takie tranzystory można wykorzystać do realizacji przekształtników pojazdów
elektrycznych w których napięcie baterii akumulatorów przekracza 100V. Przy takich
zakresach napięć sprawności przekształtników z tranzystorami IGBT są większe niż
przekształtników z tranzystorami typu MOSFET.
Aby zwiększyć sprawność przekształtników stosowane są coraz częściej układy tzw.
miękkiego przełączania tranzystorów. Układy te działają tak że wymuszają przełączanie
tranzystorów w przekształtnikach przy zerowym napięciu lub prądzie. Powoduje to eliminację
lub znaczące zmniejszenie strat łączeniowych w przekształtnikach i tym samym wzrost
sprawności całego układu.
6. Elektryczny wózek transportowy
9
Pojazd elektryczny z układem napędowym z silnikiem indukcyjnym klatkowym
Elektryczne wózki transportowe stanowią jedną z największych grup pojazdów
elektrycznych. Stosowane są powszechnie m.in. w transporcie wewnątrzzakładowym.
Typowa struktura napędowa takiego pojazdu przedstawiona została na rys. 7.
Rys. 7. Typowa struktura elektrycznego wózka transportowego (1-akululatory, 2przekształtnik, 3-silnik, 4-most napędowy, 5-przekładnia kierownicza)
Typowy wózek transportowy jest pojazdem dwuosiowym z tylną osią napędową. Silnik
elektryczny zasilany z baterii akumulatorów przez przekształtnik energoelektroniczny
napędza koła pojazdy przez przekładnię z wbudowanym mechanizmem różnicowym.
Wózki transportowe najczęściej przewidywane są do transportu dwóch osób oraz
określonej ilości bagażu. Przykładowy widok wózka transportowego firmy MELEX
przedstawiono na rys. 8.
Rys. 8. Widok elektrycznego wózka transportowego
Wózki transportowe m.in. firmy MELEX napędzane są najczęściej silnikiem
szeregowym prądu stałego o mocy od 1.6kWdo 4 kW w zależności od przeznaczenia pojazdu.
Pojazdy zasilane są z baterii 6 lub 8 akumulatorów kwasowo–ołowiowych o pojemności
rzędu 180Ah..220Ah i łącznym napięciu 36V lub 48V.
10
Pojazd elektryczny z układem napędowym z silnikiem indukcyjnym klatkowym
W pojeździe MELEX stosowane jest przełożenie przekładni mostu napędowego i12
co zapewnia maksymalną prędkość jazdy wózka 23 km/godz na płaskiej drodze. Taka
prędkość wynika z przeznaczenia wózka będącego pojazdem wolnobieżnym
7. Stanowisko laboratoryjne
W ćwiczeniu badany jest wersja prototypowa pojazdu elektrycznego MELEX – rys. 9.
Rys. 9. Prototypowy pojazd elektryczny MELEX
Pojazd prototypowy wykonany został jako konstrukcja otwarta, umożliwiająca szybki
dostęp to poszczególnych elementów. Most napędowy pojazdu ma przełożenie i=12.
W pojeździe do napędu zastosowano trójfazowy silnik indukcyjny klatkowy produkcji
firmy ISKRA Slovenia [21] – rys. 10.
Rys. 10. Silnik indukcyjny do napędu pojazdu MELEX
Parametry silnika z rys. 10 są następujące:
 typ AMT7126,
11
Pojazd elektryczny z układem napędowym z silnikiem indukcyjnym klatkowym
 moc znamionowa Pn=5kW,
 napięcie międzyfazowe Un=30V, uzwojenia połączone w Y
 prąd In=120A
 prędkość znamionowa nn=2300obr/min,
 częstotliwość znamionowa fn=77Hz,
 liczba par biegunów p=2
 praca S2 60min,
 ułożyskowanie jednostronne od strony przeciwnapędowej,
 cyfrowy, indukcyjny czujnik prędkości,
 czujnik temperatury uzwojeń,
 waga 25kg.
Silnik przeznaczony jest do zasilania z falownika pracującego przy napięciu wejściowym
baterii akumulatorów 48V.
Jako przekształtnik zamieniający prąd stały baterii akumulatorów na napięcie przemienne
trójfazowe zastosowano specjalnie w tym celu zaprojektowany i wykonany układ
energoelektroniczny– rys. 11.
Rys. 11. Przekształtnik układu napędowego pojazdu MELEX
Układ energoelektroniczny z rys. 11 składa się z dwóch przekształtników:
 falownika napięcia,
 przekształtnika baterii superkondensatorów.
Sterownik mikroprocesorowy przekształtnika składa się z procesora sygnałowego
ADSP21363, układu logiki programowalnej FPGA, przetworników analogowo - cyfrowych
oraz układów wejść i wyjść cyfrowych. Sterownik ma możliwość współpracy z komputerem
PC za pomocą komunikacji przez interfejs USB. Oprogramowanie konsoli operatora
TKombajn umożliwia zadawanie i odczyt parametrów oraz rejestrację i wizualizację
przebiegów.
Sterownik ADSP realizuje układ sterowania zamkniętego prędkości, momentu i
strumienia silnika wykorzystując algorytm nieliniowego sterowania multiskalarnego.
Wielkością zadawaną przez kierowcę pojazdu za pomocą pedału gazu jest zadana prędkość
obrotowa. Układ sterowania jest dwustrefowym układem regulacji prędkości. W zakresie
12
Pojazd elektryczny z układem napędowym z silnikiem indukcyjnym klatkowym
prędkości pojazdu 0..15km/h utrzymywany jest stały, znamionowy strumień wirnika. Przy
prędkościach większych od 15km/h następuje odwzbudzanie silnika – strumień jest
automatycznie zmniejszany. Prędkość pojazdu 15km/h odpowiada znamionowej prędkości
kątowej silnika.
Układ napędowy pracuje bez pomiaru wielkości regulowanych. W procesie sterowania
użyte są zmienne obliczane w procedurze obserwatora stanu na podstawie mierzonych
prądów wyjściowych falownika i mierzonego napięcia akumulatorów. Taki układ określany
jest jako napęd bezczujnikowy.
W ćwiczeniu do odczytu i rejestracji dostępne są następujące zmienne:
x11
x12
x12z
x21
x21z
x22
x22z
imFRMS
imaA, imbA, imcA
imx, imy
im
udcV
InputPoZadajniku_FM
Pm
i_baterii
P_baterii
- prędkość kątowa silnika r
- moment elektromagnetyczny me
- zadany moment silnika mezad
- aktualny kwadrat moduł strumienia magnetycznego wirnika
| r|2
- zadany kwadrat modułu strumienia magnetycznego wirnika
(| r|2)zad
- zmienna multiskalarna – iloczyn skalarny wektorów
strumienia wirnika i prądu stojana x22=ris-ris
- wartość zadana zmiennej x22
- wartość skuteczna RMS prądu stojana maszyny w [A]
- wartości chwilowe prądów fazowych maszyny w [A]
- wartości chwilowe prądów maszyny w układzie
współrzędnych nieruchomych 
- moduł prądu maszyny
- napięcie akumulatorów w [V]
- zadana prędkość silnika w (z pedału gazu)
- moc pobierana przez silnik
- prąd pobierany z baterii akumulatorów
- moc pobierana z baterii akumulatorów
Na schemacie uproszczonej struktury układu napędowego badanego pojazdu (rys. 12)
zaznaczono niektóre z rejestrowanych zmiennych.
13
Pojazd elektryczny z układem napędowym z silnikiem indukcyjnym klatkowym
Rys. 12. Struktura układu napędowego pojazdu z oznaczeniem niektórych z rejestrowanych
zmiennych
Jeśli nie jest to określone przy opisach zmiennych to wielkości wrażone są w jednostkach
względnych [j.w.] odniesionych do wielkości bazowych podanych w tab. 3.
Tab. 3. Jednostki bazowe
Napięcie
Ub=Un (napięcie międzyfazowe)
Prąd
Ib= 3 In
Strumień magnetyczny
b=Ub/o
Prędkość kątowa
 b=0/p
Moment
Mb=bbp
gdzie: 0- pulsacja synchroniczna 0=2fn
Czas rejestracji przebiegów ustalany jest przez wpisanie wartości mnożnika dla
minimalnego czasu rejestracji w oknie edycyjnym programu Tkombajn – rys. 13. Minimalny
czas rejestrowanych przebiegów to 50ms.
Rys. 13. Okno mnożnika czasu rejestracji w zakładce [Variables] programu Tkombajn
8. Przebieg ćwiczenia
Ćwiczenie wykonywane jest w formie pokazu laboratoryjnego. Studenci zapoznają się z
budowa, działaniem i obsługą pojazdu. Pod nadzorem prowadzącego zajęcia wykonywane są
jazdy testowe. W trakcie jazdy przeprowadzane są rejestracje wybranych zmiennych
programu sterownika ADSP pojazdu. Wyniki gromadzone są na komputerze i po zakończeniu
pomiarów przekazywane są studentom.
Podczas pomiarów pojazdu układ superkondensatorów jest odłączony. Działa jedynie
falownik napięcia.
Na rys. 14 przedstawiono widok części kokpitu pojazdu.
14
Pojazd elektryczny z układem napędowym z silnikiem indukcyjnym klatkowym
Rys. 14. Widok kokpitu pojazdu
Uruchomienie pojazdu wymaga wyboru trybu pracy, przekręcenia stacyjki oraz wyboru
kierunku jazdy i zwolnienia hamulca ręcznego. Podczas pomiarów stacyjka ma być cały
czas załączona. Zatrzymanie pojazdu i zmiana kierowcy wymaga zaciągnięcia hamulca
ręcznego i ustawienia przełącznika kierunku jazdy do pozycji środkowej.
Przebiegi należy rejestrować dla odpowiednio długiego czasu rejestracji dla pełnego
cyklu jazdy pojazdu: start, jazda ze stałą prędkością, przyspieszanie, zwalnianie, hamowanie
do zatrzymania, zmiana kierunku jazdy. W szczególności należy zarejestrować przebiegi
pokazujące związek pomiędzy prądem oraz napięciem i mocą baterii akumulatorów oraz
mocą, momentem i prędkością maszyny.
W sprawozdaniu należy umieścić zarejestrowane przebiegi. Na każdym z przebiegów
oznaczyć stany pracy napędu: postój, rozruch, jazda ze stałą prędkością, hamowanie,
przyspieszanie, pobór energii z akumulatorów, zwrot energii do akumulatorów. Otrzymane
przebiegi należy opisać i wyjaśnić na podstawie teorii układu.
Dla czasu rejestracji 50 s – wartość 1000 wpisana w programie Tkombajn – zarejestrować
komplety przebiegów:
a) x11, x12, imFRMS, InputPoZadajniku_FM, udcV;
b) x11, x12z, x12, x21z, x21;
c) x11, i_baterii, udcV, Pm, P_baterii
Pomiary przeprowadzić przy jeździe pojazdu po prostej dla cyklu:
postój – start – przyspieszanie do pełnej prędkości – hamowanie do zatrzymania – jazda do
tyłu – zatrzymanie – jazda do przodu – zmiany prędkości – hamowanie – postój.
Pomiary przeprowadzić dla różnej dynamiki sygnału zadanego (pedału gazu) różnych
trybów pracy: normalnej i manewrowej.
[1]
[2]
[3]
9. Literatura
Strona internetowa firmy Trojan Battery Company: http://www.trojanbattery.com
Strona internetowa firmy GLOBALPOWER: http://www.gbp-battery.com
Ehsani M., Gao Y., Gay S. E., Emadi A.: Hybrid electric, and fuel cell vehicles fundamentals, theory, and design, CRC Press LLC, 2005.
15
Pojazd elektryczny z układem napędowym z silnikiem indukcyjnym klatkowym
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
Merkisz J., Pielecha I.: Alternatywne napędy pojazdów. Wydawnictwo Politechniki
Poznańskiej, Poznań, 2003.
Popławski E. Samochody z napędem elektrycznym. Wydawnictwo Komunikacji i
Łączności. Warszawa 1994.
Węgrzyn B.: Samochody z napędem elektryczny. Wydawnictwa NT, Warszawa 1979.
Jastrzębska G.: Odnawialne źródła energii i pojazdy proekologiczne. Wydawnictwa NT,
Warszawa 2007.
Strona internetowa firmy TheWheel: http://www.e-traction.com/TheWheel.htm
Mizan M., Karwowski K.: Pojazdy z elektrycznym niezależnym napędem kół - algorytmy
sterowania i badania modelowe. Materiały Konferencji Technicon 2005, Gdańsk 2005.
Szczęsny D., Drabik G.: Silniki wysokosprawne z klatką miedzianą, Napędy i
sterowanie, nr 12, 2007.
Strona internetowa firmy Chorus Motors: http://www.chorusmotors.gi/
Sasaki S., Sato E., Okamura M.: The motor control technologies for the hybrid electric
vehicle, materiały konferencji PCIM 2004, Norymberga, Niemcy, 2004.
Strona internetowa firmy KOMEL: http://www.komel.katowice.pl
Wiak S., Welfle H.: Silniki tarczowe w napędach lekkich pojazdów elektrycznych,
Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź, 2001.
Strona internetowa firmy L.M.C. Ltd.: http://www.lemcoltd.com/index.htm
Strona
internetowa
firmy
PERM
MOTOR
GmbH:
http://www.permmotor.de/index_e.html
Strona internetowa firmy ThunderStruck Motors: http://www.thunderstruckev.com/etek-r.htm
Chang J., Lee J., Kim J., Chung S., Kang D., Weh H.: Development of rotating type
transverse flux machine, Materiały konferencyjne IEEE International Electric Machines
& Drives Conference, 2007. IEMDC '07.
Nowak M., Barlik M.: Poradnik inżyniera energoelektronika. WNT, Warszawa 1998.
Bose B.: Modern power electronics and AC drives. Prentice Hall PTR 2002.
Strona internetowa firmy ISKRA Avtoelektrika, d.d.: http://www.iskraae.com/eng/index.php
10. Zagadnienia
1. Co to jest superkondensator i jaką rolę może spełniać w układzie napędowym pojazdu
elektrycznego?
2. Narysować schemat tranzystorowego falownika napięcia. Wymienić i uzasadnić jakie
rodzaje tranzystorów mogą być stosowane są w falownikach pojazdów elektrycznych.
3. Posługując się charakterystykami mechanicznymi porównać właściwości napędowe
pojazdów spalinowych i elektrycznych.
4. Co to jest napęd bezpośredni w pojeździe elektrycznym i jakie są jego zalety w
porównaniu z napędem pośrednim?
5. Jakie rodzaje silników są stosowane w pojazdach elektrycznych? Krótko je
scharakteryzować, wymienić wady i zalety.
6. Przedstawić i scharakteryzować źródła zasilania pojazdów elektrycznych
7. Posługując się charakterystyką mechaniczną przedstawić i omówić obszar pracy silnika
elektrycznego w pojeździe.
8. Rysunek przedstawia przykładowe przebiegi zarejestrowane podczas badań
laboratoryjnych pojazdu:
 zaznaczyć dowolny odcinek czasu podczas którego pojazd przyspiesza jadąc do
przodu;
16
Pojazd elektryczny z układem napędowym z silnikiem indukcyjnym klatkowym
 zaznaczyć wybrany odcinek czasu kiedy pojazd hamuje przy jeździe do przodu –
wyjaśnić jak i dlaczego zmienia się wtedy napięcie akumulatorów.
17
Download

Pojazd elektryczny z układem napędowym z silnikiem indukcyjnym