Pojemność C nie ma stałej wartości. Stąd opisana została jako zmienna w funkcji napięcia, zgodnie z wyrażeniem poniżej:

Transkrypt

1 MACIEJCZYK Anrzej 1 PAWESKI Zbgnew Moel numeryczny ukłau napęowego autobusu mejskego zaslanego z wóch źróeł energ elektrycznej. Moele matematyczne głównych pozespołów. Część WSTĘP Koncepcję prototypowego ukłau napęowego autobusu mejskego o napęze elektrycznym zaslanego z wóch źróeł energ: zestawu akumulatorów oraz bater superkonensatorów zaprezentowano w[4]. Cyfrowy moel tegoż ukłau napęowego wraz z opsam poszczególnych bloków, systemu sterowana oraz symulacją jego pracy zawarto w publkacj [5]. Do owzorowana pracy poszczególnych elementów skłaowych hybryowego ukłau napęowego zastosowano moele matematyczne zasobnków energ elektrycznej: akumulatora, superkonensatora oraz slnka elektrycznego. Moel akumulatora omówono w perwszej częśc nnejszego artykułu. W częśc rugej zostaną opsane moele pozostałych elementów ukłau napęowego autobusu: moel superkonensatora oraz slnka elektrycznego. 1. MODE SUPERKONDENSATORA Moel bater superkonensatorów przestawono w oparcu o elektryczny schemat zastępczyjak na rysunku 1. Rys.1. Zastępczy moel elektryczny superkonensatora. gze C pojemność, R s rezystancja szeregowa, R r rezystancja równoległa Pojemność C ne ma stałej wartośc. Stą opsana została jako zmenna w funkcj napęca, zgone z wyrażenem ponżej: C( u( t)) C0 kk U( t) (1) gze: C 0 pojemność przy napęcu równym 0 [V], k k współczynnk pojemnośc w funkcj napęca, U napęce. 1 Katera Pojazów Postaw Buowy Maszyn, Poltechnka Łózka Katera Pojazów Postaw Buowy Maszyn, Poltechnka Łózka 98

2 Prą chwlowy określa zależność [5]: U( t) I( t) ( C 0 kk U( t)) t () Stopeń nałaowana superkonensatora opsano wyrażenem [6]: k k 4 C0 kk U U () 4 C0 kk U max U max Metoę wyznaczana współczynnka k k przestawono w [,6], gze mouł superkonensatorów BMOD050 proukcj Maxwell wykonano z pojeynczych ognw, otrzymując wartośc: współczynnka k k = 1,687 F/V pojemnośc C 0 = 4 F. W przypaku superkonensatorów ne stneje, tak jak w przypaku akumulatorów, zagrożene szybkej utraty trwałośc, spowoowanej zbyt głębokm wyłaowanem. Jeynym ogranczenem są maksymalne wartośc napęca prąu. Przy zmnejszającym sę napęcu na zacskach superkonensatorów mus wzrastać wartość prąu. Najczęścej przyjmuje sę zakres napęcowy pracy superkonensatorów k kon = 0. 1U zn [1]. Zastępczy moel elektryczny superkonensatora posłużył o opracowana moelu cyfrowego przy użycu programu Smulnk okonane sprzężena zespołu akumulatora superkonenstora w moel zespołu energ. Rys.. Moel zespołu energ: akumulatora superkonensatora w autobuse elektrycznym Moel zespołu energ poprzez algorytm umożlwa aaptacyjne sterowane przepływem energ w ukłaze z bateram elektrochemcznym superkonensatoram.. MODE SINIKA SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI W konstrukcj prototypowego napęu autobusu zecyowano sę na zastosowane slnka synchroncznego z magnesam trwałym (PMSM). Spośró maszyn elektrycznych obecne stosowanych w ukłaach napęowych, slnk synchronczne z magnesam trwałym pozwalają 984

3 uzyskać najwyższą gęstość mocy jenocześne najwyższą sprawność. Stanową rozwązane konstrukcyjne zecyowane nowocześnejsze w stosunku o traycyjnych asynchroncznych slnków trakcyjnych. Ne bez znaczena w przypaku autobusu zaslanego cężkm bateram akumulatorów jest także waga slnka napęowego. Porównane slnka asynchroncznego synchroncznego z magnesam trwałym o takej samej mocy znamonowej przestawono za [] w tabel ponżej. Tab.. Porównane slnka asynchroncznego synchroncznego z magnesam trwałym o takej samej mocy znamonowej [] Slnk Slnk PMSM asynchronczny P n [kw] U n [V] I n [A] n [obr/mn] f [Hz] η [%] Masa mez uzw. 9 6 stojana [kg] ΔP Cu [kw] ΔP m [kw] ΔP Fe [kw] ΔP [kw] ΣP [kw] Slnk oprócz różnych wrnków, różną sę uzwojenem stojana. W slnku z magnesam trwałym uzwojene zostało wykonane, jako jenowarstwowe oraz tak, aby ne było tam gałęz równoległych. W konsekwencj slnk ten charakteryzuje sę mnejszą rezystancją fazową oraz mnejszym stratam mocy ΔP Cu, co przekłaa sę na wększą żywotność jego zolacj pozespołów. Przyjęty moel takego slnka, przestawony na rysunku [7], rozpatrywano przy następujących założenach: maszyna trójfazowa jest o buowe symetrycznej, wypakowy moment obrotowy jest równoważny momentow synchroncznemu, wytworzonemu przez maszynę, pochone prąu onesone o magnesów trwałych są równe zero, kształt prąów napęć w szczelne powetrznej jest ealne snusoalny. W slnkach synchroncznych z magnesam trwałym pola magnetyczne generowane przez stojan wrnk wrują z jenakową częstotlwoścą. Wykorzystując transformację Clarke a-parka, równana napęcowe wygone jest sformułować w ukłaze współrzęnych - zwązanym z wrnkem obracającym sę z prękoścą synchronczną, przy czy oś pokrywa sę z kerunkem strumena magnesów trwałych. 985

4 Rys.. Schemat maszyny synchroncznej PM Przyjmując powyższe założena ukła równań we współrzęnych - ma postać [6]: 1 R u pr t t T e 1 u 1.5 p w R ( ) p r w pr gze: Φ w - stały strumeń magnesów trwałych zwązany z osą,,,,, u, u skłaowe natężena prąów, nukcyjnośc napęć stojana zwązane opoweno z osam, R s - rezystancja uzwojena stojana, p- lczba par begunów, T e - moment elektromagnetyczny, ω r - prękość kątowa wrnka. Dwa perwsze równana pokazują wyraźne stnejące sprzężena skrośne pomęzy prąam w osach. Za wymuszena można przyjąć napęca u, u oraz strumeń Φ w pochozący o magnesów trwałych. W wyrażenu na moment elektromagnetyczny występują we charakterystyczne skłaowe: moment synchronczny (Φ w ) pochozący o strumena magnesów trwałych moment reluktacyjny (( - ) ), wywołany asymetrą magnetyczną. Inukcyjnośc stanową relacje pomęzy nukcyjnoścam faz położena wrnka. Na przykła, nukcyjność merzoną pomęzy fazą a b (faza c jest otwarta) opsuje wzór: ab gze: Θ e - reprezentuje kąt elektryczny oraz ( ab, max ab, )cos( e ) (4) (5) 986

5 mn ab (6) Zmanę nukcyjnośc faz w funkcj kąta θ e wrnka [6] przestawa rysunek ponżej: Rys. 4. Zmana nukcyjnośc faz w funkcj kąta θ e wrnka[6] Równane ynamk ruchu obrotowego ma postać: 1 r ( Te Fr Tm ) t J e r t gze: J- zreukowany na oś wału moment bezwłanośc wrnka obcążena, F - zreukowany współczynnk tarca lepkego wrnka obcążena, Θe - położene kątowe wrnka, Tm - moment mechanczny wału. (7) Moc elektryczna slnka jest równa loczynow skalarnemu wektorów napęca natężena: P u u u (8) Moel matematyczny maszyny synchroncznej w ukłaze współrzęnych {, } jest wykorzystywany o sterowana wektorowego, poobne jak w slnku nukcyjnym klatkowym. Najstotnejszą cechą sterowana wektorowego jest to, że skłaowa wektora prąu wrnka określa welkość momentu obrotowego slnka, a skłaowa welkość strumena pola magnetycznego. Ten sposób sterowana pozwala na uzyskane osprzężena ynamcznego męzy obwoam regulacj momentu strumena. Zakłaając ealny regulator prąu slnka przyjmując warunek = const = 0, moel slnka synchroncznego pracującego wg kryterum maksymalzacj momentu, przyjmuje postać analogczną o równań opsujących moel slnka prąu stałego. Analzę pracy maszyny elektrycznej należy jenak rozpatrywać łączne z ukłaem sterowana kształtującym jej charakterystyk trakcyjne. Fragment schematu bloku sterującego przestawa rysunek 4. Zgone z przyjętym trapezowym cyklem pracy ukłau, cyfrowy moel bloku sterującego [5] uwzglęna poblok opowezalne za kolejne cykle ruchu: proces rozpęzana wraz z jazą ustaloną, hamowana oraz postoju. Z każego pobloku wyprowazone są sygnały określające w zależnośc o beżącego cyklu jazy, jak prą należy pobrać z akumulatora (I-ak) superkonensatora (I-kon). Ostateczny moel numeryczny slnka napęowego prezentuje rysunek

6 Rys. 5. Poblok bloku sterującego (fragment schematu zntegrowanego bloku slnka wraz z blokem sterującym) Rys.6. Moel slnka synchroncznego z magnesam trwałym przebeg wybranych parametrów poczas realzacj trapezowego cyklu jazy WNIOSKI Przeprowazone symulacje komputerowe wykazały, że w przypaku zastosowana superkonensatorów w zespole energ powstała możlwość ogranczena maksymalnych wartośc prąu w bater akumulatorów oraz zmnejszena lczby cykl pracy (łaowane-rozłaowane). Zaprezentowany moel slnka synchroncznego PM jest wystarczającym przyblżenem o baań z rzeczywstym ukłaem napęowym z punktu wzena blansu energetycznego napęu. Streszczene Artykuł jest kontynuacją prac zwązanych z prototypem autobusu mejskego o napęze elektrycznym oraz prototypowym ukłaem napęowym. Na potrzeby prototypowego ukłau napęowego opracowano jego moel numeryczny. Przyjęto koncepcję zaslana ukłau napęowego z wóch źróeł energ. Energa o zaslana autobusu poberana jest z bater akumulatorów superkonensatorów. W oparcu o moel cyfrowy ukłau 988

7 napęowego okonano symulacj pracy systemu zgone z przyjętym trapezowym cyklem pracy. W nnejszej publkacj omówono moele matematyczne kolejnych elementów ukłau napęowego: moel superkonensatora oraz slnka elektrycznego, na postawe których opracowane zostały ch moele numeryczne. Słowa kluczowe: autobus mejsk o napęze elektrycznym, prototyp ukłau napęowego autobusu zaslanego z wóch źróeł energ elektrycznej, cyfrowy moel ukłau napęowego autobusu mejskego o napęze elektrycznym, moele matematyczne głównych pozespołów ukłau napęowego. The numercal moel of a cty bus rve system powere by two sources of electrcty. Mathematcal moels of the man components. Part Abstract Ths artcle s a contnuaton of the work relate to the cty bus prototype wth electrc rve an rve system prototype. For the purposes of the rve system prototype evelope the numercal moel. Aopte the concept of a power rve system wth two energy sources. Energy to power the bus s taken from the batteres an supercapactors. Base on the gtal moel of rve system was mae a smulaton n accorance wth the aopte "trapezoal" work cycle. Ths publcaton scusses the followng mathematcal moels of rve system elements: moels of supercapactor an electrc motor, base on whch numercal moels have been evelope. Keywors: cty bus wth electrc rve, prototype of bus rve system wth two sources of electrcty, the gtal moel of a cty bus rve electrc system, mathematcal moels of the man components of the rve system BIBIOGRAFIA 1. Fce M.: Stratega zarzązana rozpływem mocy w napęze hybryowym o strukturze równoległej. Maszyny Elektryczne, 011, nr.90. Grzesak. nn: Ukła napęowy elektrycznego pojazu mejskego z hybryowym bateryjnoultrakonensatorowym magazynem energ. Maszyny Elektryczne, 01, nr.. Król E., Porównane efektywnośc energetycznej slnków z magnesam trwałym I slnków nukcyjnych. Maszyny elektryczne, 007, Nr Pawelsk Z., Macejczyk A., Projekt prototypowego ukłau napęowego o autobusu elektrycznego AMZ Kutno; ogstyka 014, nr. 5. Pawelsk Z., Macejczyk A., Symulacja pracy ukłau napęowego autobusu mejskego o napęze elektrycznym w oparcu o moel numeryczny. Koncepcja zarzązana energą poberaną z wóch źróeł., ogstyka 014, nr Setlak R., Fce M.: Moelowane zasobnków energ elektrycznej la pojazów elektrycznych hybryowych. Maszyny elektryczne, 011, nr Zawrsk K., Deskur J., Kaczmarek T.: Automatyka napęu elektrycznego. Wyawnctwo Poltechnk Poznańskej, Poznań