Pojazd elektryczny z układem napędowym z silnikiem indukcyjnym
advertisement
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 i12 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=ris-ris - 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=bbp gdzie: 0- pulsacja synchroniczna 0=2fn 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
