NAP D POJAZDU TURYSTYCZNEGO OSOBOWO-TOWAROWEGO

Transkrypt

1 Micha JANASZEK Kamil KWIATKOWSKI NAPD POJAZDU TURYSTYCZNEGO OSOBOWO-TOWAROWEGO STRESZCZENIE W artykule przedstawiono koncepcj ukadu napdowego pojazdu turystycznego osobowo-towarowego o masie cakowitej do jednej tony. Napd skada si z dwóch przeksztatników tranzystorowych sterowanych przez jeden ukad regulacyjny, oraz dwóch silników zamontowanych w koach napdowych pojazdu. W napdzie zastosowano silniki synchroniczne z magnesami trwaymi i o budowie odwróconej, tzn. z wirnikiem zewntrznym poczonym bezporednio z felg koa. Omówiona zostaa metoda sterowania jednym programem sterujcym dwoma silnikami zasilanymi z dwóch falowników. Zaprezentowane zostay wyniki bada symulacyjnych i eksperymentalnych ukadu. Sowa kluczowe: pojazdy elektryczne, napd elektryczny, silniki z magnesami trwaymi 1. WSTP Wystpujcy w ostatnich latach wzrost cen paliw spowodowa zainteresowanie wykorzystaniem napdów elektrycznych w pojazdach przeznaczonych do celów turystycznych, do przewozu ludzi i towarów. Przewiduje si, e pojazdy o napdzie elektrycznym stosowane bd tam, gdzie uycie pojazdów spalinowych jest zabronione lub niewskazane. Najczciej wymienia si obszary chronione pod wzgldem ekologicznym, np.: centra zabytkowych miast, wydzielone obszary miast o ograniczonym ruchu drogowym, parki narodowe, tereny rekreacyjne, pola golfowe. Przewiduje si równie zastosowanie pojazdów na terenach przemysowych, np. jako rodków transportu wewntrzzakadowego, transportu towarów w halach dr in. Micha JANASZEK m.janaszek@iel.waw.pl mgr in. Kamil KWIATKOWSKI k.kwiatkowski@iel.waw.pl Instytut Elektrotechniki, Zakad Napdów Elektrycznych PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 262, 2013

2 18 M. Janaszek, K. Kwiatkowski i pomieszczeniach zamknitych, transportu pasaerów i bagay na lotniskach oraz jako pojazdów specjalnych, remontowych, do oczyszczania terenu, sanitarnych. Jako maszyny i pojazdy robocze mog by wykorzystywane mini wywrotki do przewozu materiaów sypkich, w budownictwie, rolnictwie i hodowli zwierzt, maszyny do prac w ogrodach, szklarniach, itp. Przewidywane zastosowanie pojazdów o napdzie elektrycznym jest szerokie i rónorodne. Spowodowane jest to ich zaletami w stosunku do napdów spalinowych. W literaturze podkrela si najwaniejsze cechy pojazdów o napdzie elektrycznym i ich korzystny wpyw na stan rodowiska naturalnego: brak wydzielania spalin w miejscu eksploatacji pojazdu, wysz sprawno energetyczn, moliwo odzysku energii hamowania, mniejsze koszty energii i eksploatacji, bezpieczny magazyn energii, nisk emisj haasu, atw obsug pojazdu, stosunkowo prost obsug serwisow, uniezalenienie od rynku ropy. 2. POJAZD TURYSTYCZNY OSOBOWO-TOWAROWY Instytut Elektrotechniki podj si opracowania nowoczesnego, lekkiego pojazdu o napdzie elektrycznym, przewidzianego do przewozu pasaerów i towarów na odlego do 50 km. Masa cakowita pojazdu nie powinna przekracza 1 tony. We wstpnych zaoeniach budowy pojazdu przyjto, e pojazd bdzie osiga parametry techniczne pokazane w tabeli 1. TABELA 1 Planowane parametry techniczne pojazdu Parametry Masa cakowita Masa pojazdu Obcialno cakowita Prdko maksymalna Wartoci parametrów planowane do uzyskania do 1 tony do 700 kg do 300 kg, 20 km/h Pokonywanie wzniesie do 20% Przyspieszenie maksymalne a 2 2 Zasig Wymiary Magazyn energii Moc napdu elektrycznego m s do 50 km dugo 2,6 m; szeroko 1,2 m; wysoko 1,7 m akumulatory 8 x 12 V = 96 V 2 x 2000 W Podstawowym celem jest opracowanie i zastosowanie w projektowanym pojedzie nowych rozwiza ukadów elektrycznych: napdu z silnikami synchronicznymi o magnesach trwaych; mikroprocesorowego regulatora prdkoci;

3 Napd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego 19 kontrolera pokadowego, realizujcego sterowanie nadrzdne pojazdu, programowanie, diagnostyk i monitorowanie pracy pojazdu; sterowania magistral CAN; akumulatorowego magazynu energii; bezstykowego ukadu adowania magazynu energii; energooszczdnego diodowego owietlenia pojazdu. Konstrukcja pojazdu skada si z dwóch podstawowych elementów: podwozia, do którego mocowane s wszystkie podzespoy napdowe, koa, ukad kierowania pojazdem, ukad hamowania mechanicznego, ukad zawieszenia pojazdu, przeksztatniki energoelektroniczne, ukad sterowania, akumulatory, bezstykowy ukad adowania, oraz przetwornica zasilajca owietlenie; nadwozia, w skad którego wchodz siedzenia dla 4 osób, osona przednia pojazdu i dach. Rys. 1. Model eksperymentalny pojazdu uniwersalnego o napdzie elektrycznym Koami napdowymi pojazdu s koa tylne. S w nich wbudowane silniki synchroniczne o magnesach trwaych i o budowie odwróconej. S to silniki wolnoobrotowe, wysokomomentowe bez przekadni mechanicznej. Koami skrtnymi s koa przednie. Z nimi powizany jest mechanizm kierowania pojazdem. Umieszczone s w nich hamulce hydrauliczne i hamulec rczny. Zaoono, e podwozie bdzie podstawowym elementem mechanicznym, niezmiennym, wykorzystywanym w rónych wersjach pojazdu. Na podwoziu zamontowane bd urzdzenia elektryczne pojazdu: koa napdowe, przeksztatniki energoelektroniczne, ukad sterowania, akumulatory, bezstykowy ukad adowania oraz przetwornica zasilajca owietlenie. W rezultacie wykonano eksperymentalny model pojazdu uniwersalnego (rys. 1).

4 20 M. Janaszek, K. Kwiatkowski 3. UKAD NAPDOWY POJAZDU Charakterystyczne cechy napdów elektrycznych zalene s od parametrów technicznych pojazdów, dla których s przeznaczone. Przede wszystkim, pojazd jako obiekt napdzany ma du mas, co oznacza duy moment bezwadnoci sprowadzony do wau silnika napdzajcego. Ponadto masa ta zmienia si w duym zakresie, co utrudnia regulacj napdu w ptli sprzenia prdkociowego. Konieczna jest równie moliwo regulacji momentu napdowego niezalenie od prdkoci. Naley wic stosowa prac w ptli regulacji momentu, gdy prdko jazdy oraz przyspieszenie ustalane s przez kierujcego pojazdem. Dalej ukad regulacji napdu powinien zapewnia: prac w czterech wiartkach ukadu wspórzdnych moment-prdko obrotowa; prac przerywan w funkcji czasu obcienie w czasie rozruchu i hamowania; hamowanie z oddawaniem energii do akumulatora; niski poziom haasu, co uzalenione jest od czstotliwoci impulsów PWM napicia zasilajcego silnik. Przebieg typowego cyklu pracy napdu mona podzieli na [1] (rys. 2): rozruch do prdkoci ustalonej najczciej ze staym zadanym momentem napdowym napd pracuje silnikowo, moc napdu dodatnia; jazda ze sta prdkoci praca silnikowa z niewielkim momentem; wybieg praca bez momentu ze zmniejszajc si prdkoci; hamowanie od prdkoci ustalonej ze staym zadanym momentem hamujcym napd pracuje generatorowo, moc napdu ujemna; nawrót pocztkowy okres to hamowanie generatorowe (moc ujemna), kocowy okres to rozruch do ustalonej prdkoci (praca silnikowa, moc dodatnia). n,t,p T P n 0 t rozruch, wybieg, nawrót, staa prdko, hamowanie Rys. 2. Praca napdu trakcyjnego w funkcji czasu: n prdko; T moment napdowy; P moc

5 Napd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego 21 Prace nad napdem pojazdu prowadzone byy w dwóch zakadach Instytutu Elektrotechniki: W Zakadzie Maszyn Elektrycznych zaprojektowane i wykonane zostay silniki synchroniczne o magnesach trwaych. W Zakadzie Napdów Elektrycznych opracowana zostaa metoda sterowania napdami, zaprojektowano i wykonano falowniki i ukad procesorowy sterowania. Silniki prdu przemiennego synchroniczne lub bezszczotkowe wymagaj synchronizacji napicia wzgldem strumienia, co wymusza konieczno stosowania ukadu jeden przeksztatnik jeden silnik. Mog by stosowane w topologiach z rozdzielonymi napdami kó lub jako napd jednosilnikowy z mechanicznym mechanizmem rónicowym. Jednoczenie s to silniki o najwyszej sprawnoci i duej gstoci mocy duym wspóczynniku moc/ciar. Tradycyjne silniki synchroniczne posiadaj zewntrzny stojan, w którym umieszczone s uzwojenia trzech faz. Wirnik o magnesach trwaych umieszczony jest wewntrz. Najczciej s to silniki szybkoobrotowe i napdzaj koa pojazdu za porednictwem przekadni mechanicznej. W celu eliminacji przekadni mechanicznej oraz bezporedniego poczenia silnika z koem napdowym pojazdu, opracowano silnik o budowie odwróconej. Stojan z uzwojeniami faz umieszczony jest wewntrz wirnika, a wirnik o magnesach trwa- ych poczony jest bezporednio z koem. W rezultacie powstaa nowa topologia napdu (rys. 3). Akumulatory Silnik + Koo Przeksztatnik 1 Sterownik Silnik + Koo Przeksztatnik 2 Rys. 3. Topologia wedug koncepcji napdu bezporedniego z silnikami synchronicznymi o magnesach trwaych i budowie odwróconej Wybrana topologia napdu bezporedniego zawiera: dwa silniki synchroniczne o magnesach trwaych i o budowie odwróconej, wbudowane w koa napdowe pojazdu (rys. 4, 5, 6, 7). Silniki wyposaone s w czujniki optoelektroniczne odbiciowe, okrelajce pooenie wirnika wzgldem stojana i pozwalajce synchronizowa napicie zasilajce fazy silnika wzgldem wirnika. Poniewa magnesy poczone s trwale z wirnikiem, syn-

6 22 M. Janaszek, K. Kwiatkowski chronizacja wzgldem wirnika jest jednoczenie synchronizacj wzgldem strumienia silnika; dwa przeksztatniki trójfazowe, zasilajce silniki w ukadzie jeden przeksztatnik jeden silnik ; jeden sterownik procesorowy z procesorem TMS320F2812 produkcji Texas Instruments. Napd sterowany jest za pomoc jednego programu sterujcego; bateri 8 akumulatorów 12-woltowych o pojemnoci 90 Ah, czyli o napiciu znamionowym 96 V i energii ok. 31 MJ. Rys. 4. Kompletny silnik (widok od strony mocowania koa pojazdu) Rys. 5. Kompletny silnik (widok od strony mocowania do podwozia pojazdu) Rys. 6. Silnik z felg i opon zamontowany na ramie pojazdu (widok od strony mocowania koa pojazdu) Rys. 7. Silnik z felg i opon zamontowany na ramie pojazdu (widok od strony mocowania do podwozia pojazdu) Zastosowany ukad napdowy pozwala te na zwrot energii podczas hamowania. Energia kinetyczna pojazdu podczas hamowania generatorowego przeksztacana jest w energi elektryczn zwracan do róda. Wprowadzenie takiego mechanizmu

7 Napd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego 23 pozwala na oszczdzenie energii elektrycznej, a co za tym idzie, wydua czas pracy i zasig pojazdu. Sekwencja przecze zsynchronizowana jest z aktualnym pooeniem silnika za pomoc sygnaów wysyanych przez wbudowany w maszyn czujnik pooenia. Czujnik ten skada si dwóch podstawowych elementów: ukadu trzech fototranzystorów zamontowanych na stojanie oraz ukadu luster wirujcych wraz z wirnikiem. 4. MODEL MATEMATYCZNY SILNIKA SYNCHRONICZNEGO O MAGNESACH TRWAYCH Zastosowany w napdzie pojazdu silnik synchroniczny o budowie odwróconej posiada magnesy zamontowane na wewntrznej powierzchni wirnika. Mona go zatem opisa równaniami stanu tak, jak opisuje si klasyczny silnik o magnesach trwaych zamontowanych na powierzchni wirnika (ang. Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor). faza B L b R b M a,b E b M b,c E c E a R a L a faza A R c L c M c,a faza C Rys. 8. Schemat silnika synchronicznego o magnesach trwaych Model matematyczny silnika synchronicznego zosta opisany z przyjciem zaoe, które w peni odpowiadaj parametrom rzeczywistym (rys. 8) [2]: zastosowany jest silnik synchroniczny o magnesach trwaych; silnik jest trójfazowy (fazy a, b, c, przesunite o kt 2 3 radianów) z uzwojeniem poczonym w gwiazd, majcy 6 par biegunów; silnik ma sinusoidalny rozkad strumienia magnetycznego oraz sinusoidalny przebieg si elektromotorycznych w fazach przy staej prdkoci ktowej;

8 24 M. Janaszek, K. Kwiatkowski silnik jest symetryczny, tzn.: - indukcyjnoci wasne faz silnika L a = L b = L c = L, - indukcyjnoci wzajemne faz silnika M ab = M bc = M ca = M, - indukcyjno silnika L d = L q = 1 L, 2 - rezystancje faz R a = R b = R c = R; parametry silnika s stae, niezalene od czasu, obcienia i prdkoci ktowej; obwód magnetyczny silnika synchronicznego jest liniowy; pominity zostanie wpyw anizotropii, nasycenia magnetycznego zjawiska histerezy i prdów wirowych. Przy wykorzystaniu zapisu wektorowego, dynamik silnika synchronicznego opisuj macierzowe równania róniczkowe (równania stanu): równanie napi: d Ri u (1) dt równanie momentów: d 1 kt 1 i To (2) dt J J J gdzie: wektor strumienia; i wektor prdu; u wektor napicia; R macierz rezystancji; k t wspóczynnik tarcia; T o moment obcienia; prdko ktowa; J moment bezwadnoci. Poszczególne wielkoci fizyczne, tzn. prd, napicie, strumie magnetyczny skojarzony z uzwojeniem stojana, okrelane s jako wektory przestrzenne, pooone na paszczynie prostopadej do osi silnika. Chwilowa wielko i pooenie wektora X opisane s przez wartoci chwilowe danej wielkoci fizycznej w fazach A, B, C. x () t cos ( p() t t()) t X X (3) ABC a 2 xb () t () t cos ( p() t t () t ) 3 4 xc () t cos ( p() t t() t ) 3 Amplituda X () t, pulsacja () t oraz faza () t wektora s funkcjami czasu i mog okrela przebiegi czasowe niesinusoidalne. Jedyny warunek, jaki musi by speniony, aby mona byo okreli wektor przestrzenny, to aby suma wartoci chwilowych w poszczególnych fazach bya równa zeru: x () t x () t x () t 0 (4) a b c

9 Napd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego 25 Dla uproszczenia oblicze stosuje si zapis wektorowy w stacjonarnym ukadzie wspórzdnych prostoktnych (rys. 9). Dla przeksztacenia równa z ukadu trójfazowego ABC do ukadu ortogonalnego najczciej stosowane jest przeksztacenie Clarke a. B X A C Rys. 9. Przeksztacenie wektorów z ukadu trójfazowego ABC do ortogonalnego Skadow x zapisujemy wzorem: x xa xb cos xc cos (5) 3 3 Uwzgldniajc, e cos 1 (6) 3 2 oraz x () t x () t x () t (7) c a b po przeksztaceniach otrzymujemy: x 3 2 x a (8) Skadow x zapisujemy wzorem: x x cos x (9) b c cos 6 6

10 26 M. Janaszek, K. Kwiatkowski Uwzgldniajc, e cos 3 (10) 6 2 otrzymujemy: x 3 2 x x (11) b c Przeskalowujc przez 2, otrzymujemy skadowe wektora we wspórzdnych ortogonalnych: 3 X x x (12) a 1 x xb x c 3 Poniewa w ukadach napdowych wygodnie jest mierzy tylko dwie skadowe wektora, np. x a (t), x b (t), uywany jest algorytm przeksztacenia Clarke a: X x x (13) lub w zapisie funkcji czasu: a 1 x xa 2 x b 3 X x cos p( tt ) ( t) () t x X sin p( tt ) ( t) (14) Po przeksztaceniu wektorów napicia, prdu i strumienia zgodnie z algorytmem Clarke a, otrzymujemy skadowe ortogonalne: wektora napicia: wektora prdu: wektora strumienia: u u cos pt u u (15) a 1 u ua 2ub sin pt 3 a 1 i ia 2ib sin pt 3 i i cos pt i i (16) a cospt 1 (17) a 2b sin pt 3

11 Napd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego 27 W silniku synchronicznym o magnesach trwaych strumie wypadkowy mona roz- oy na dwie skadowe ortogonalne: 1. skadowa strumienia samoindukcji i L 0i L 0cos pt i i 0 L i i 0 L (18) sin pt 2. skadowa strumienia od magnesów trwaych f cos pt f f f sin pt (19) Strumie wypadkowy silnika jest sum geometryczn tych dwóch skadowych L 0i f i f 0 L i (20) f W silniku synchronicznym o magnesach trwaych indukowana jest sia elektromotoryczna proporcjonalna pochodnej strumienia di e d d d L 0 dt f i f p e dt dt dt 0 L di f dt E (21) co pozwala zapisa równania napi silnika we wspórzdnych ortogonalnych: di R p f 1 0 i 0 dt L L L u i di R p 1 u f 0 0 dt L L L (22) Równanie momentów okrela iloczyn wektorowy wektora strumienia i prdu: i i 3 f f T p 2 i p p p i i i i i i (23) Poniewa iloczyn wektorowy strumienia samoindukcji i prdu jest równy zeru Li Li i i 3 L i i i i 0 2 i i i i (24) to moment wytwarzany przez silnik równa si iloczynowi wektorowemu skadowej wektora strumienia od magnesów trwaych i prdu twornika:

12 28 M. Janaszek, K. Kwiatkowski 3 f f 3 T p p 2 2 fifi i i (25) a równanie momentów zapisujemy jako iloczyn skalarny wektorów: i d p p k dt J J j 3 f 3 f t 1 i 2 2 J T o (26) czc równania napi z równaniem momentów, otrzymujemy równania stanu silnika synchronicznego o magnesach trwaych we wspórzdnych ortogonalnych. S to podstawowe równania dla przeprowadzenia analizy pracy silnika. Zmiennymi stanu s skadowe ortogonalne wektora prdu i i oraz prdko ktowa silnika. di R p f 0 1 dt L L i 0 0 u L di R p f 1 0 i 0 0 u dt L L L (27) d 3 p 3 1 f p f k t 0 0 T dt 0 2 J 2 J J J Regulacja napdu z silnikiem synchronicznym o magnesach trwaych wymaga pomiaru chwilowych wartoci napi i prdów, estymacji chwilowych wartoci strumienia i regulacji chwilowych wartoci sygnaów wyjciowych. Ma to istotne konsekwencje zwizane z przyjt teori mocy. 5. TEORIA CHWILOWYCH WARTOCI MOCY UKADU TRÓJFAZOWEGO Dyskusje nad sposobami okrelania mocy biernej, czynnej i pozornej w obwodach elektrycznych, szczególnie dla przebiegów odksztaconych od sinusoidy, trwaj od lat i jak mona rozumie, cykle ostatnich publikacji dalekie s od zakoczenia. Dla okrelenia istoty przemian energetycznych w obwodach elektrycznych coraz bardziej wydaje si konieczny bezporedni pomiar oraz interpretacja mocy chwilowych i energii chwilowych. Posugiwanie si w rónych analizach wartociami chwilowymi sygnaów elektrycznych oraz przebiegami chwilowymi mocy i energii powinno by standardem, gdy wspóczesne techniki pomiaru i rejestracji umoliwiaj obserwacj tych wielkoci i odtwarzanie ich przebiegów dla dostatecznie dugich przedziaów czasu. Ponadto znajomo przebiegów czasowych, a wic przebiegów obrazujcych bezporednio stan fizyczny, umoliwia jednoznaczn interpretacj stanu pracy praktycznie dowolnych ukadów, w tym i ukadów nieliniowych, parametrycznych oraz zawierajcych elementy sterowane, pobudzane sygnaami o dowolnych ksztatach. Moliwoci takich nie zapewniaj analizy, bazujce na urednionych pomiarach mocy i energii, wyraanych poprzez wartoci skuteczne prdów i napi.

13 Napd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego 29 Istotnie w obwodzie jednofazowym przy nieokresowych przebiegach napicia i prdu mona jednoznacznie okreli jedynie moc chwilow jako iloczyn chwilowych wartoci napicia i prdu: p t u t i t (28) Natomiast okrelenie skadowej czynnej, biernej i wartoci pozornej mocy, jest trudne lub niemoliwe. W ukadach elektrycznych, pomidzy energi elektryczn dostarczan do ukadu w(t) a moc energii, nazywan chwilow moc elektryczn p(t), istnieje zwizek w postaci: wt pt (29) t Przyjmuje si zazwyczaj, e znak + dotyczy przypadku, gdy energia jest w ukadzie rozpraszana lub kumulowana, a znak wystpuje w przypadku dostarczania energii z zewntrz, na przykad z autonomicznych róde. Zgodnie z t definicj, moc chwilowa jest szybkoci zmian energii. Jeli wic potrafimy okreli moce chwilowe elementów ukadu i ukadu jako caoci, to wykorzystujc wyraenie (29) oraz prawo zachowania energii, wyraone poprzez prawo zachowania mocy chwilowych, potrafimy wyznaczy wartoci chwilowe energii ukadu i jego poszczególnych elementów, a tym samym potrafimy obserwowa jej zmiany w okrelonych przedziaach czasu. W 1983 r. ogoszona zostaa przez H. Akagiego, A. Nabaea oraz Y. Kanazaw nowa teoria mocy w dziedzinie czasu, nazwana teori chwilowej mocy biernej (ang. Instantaneous Reactive Power Theory). Teoria ta ma zastosowanie dla ukadów wielofazowych, w których napicia i prd zapisywane s wektorowo. Najczciej stosowana jest do ukadów trójfazowych [3, 4, 5]. Teoria ta jest zasadniczo odmienna od wszystkich innych, gdy nie operuje takimi pojciami, jak moc czynna, bierna pozorna czy wspóczynnik mocy w ich tradycyjnym sensie. Nie interpretuje te zjawisk energetycznych w obwodzie elektrycznym. Jest to bardziej algorytm sterowania kompensatora aktywnego, ni teoria mocy. Realizuje bardziej cele praktyczne, ni poznawcze. Proponujc algorytm sterowania, niewymagajcy analizy harmonicznej przebiegów, teoria ta wzbudzia jednak due zainteresowanie. Warto chwilow mocy czynnej okrelamy jako iloczyn skalarny wektorów napicia i prdu: 3 3 i 3 3 PE 2 ui 2 u u 2 ui ui cos 2 SE cos i ui (30) Warto chwilow mocy biernej okrelamy jako iloczyn wektorowy wektorów napicia i prdu: 3 3u u 3 3 QE 2 ui 2 2 uiui sin 2 SE sin i i u i (31)

14 30 M. Janaszek, K. Kwiatkowski Warto chwilow mocy pozornej okrelamy jako pierwiastek z sumy kwadratów mocy czynnej i biernej: 2 2 E E E S P Q u i u i u i u i ui 2uuii ui ui 2uuii ui u 2 i i u i i u u i i 2 2 ui (32) Warto chwilow wspóczynnika mocy okrelamy jako stosunek wartoci chwilowych mocy czynnej i mocy biernej: P ui E ui cos SE u u i i (33) Istotnym pojciem s wartoci chwilowe skadowych prdu czynnej i biernej. Okrela si je jako rzuty wektora prdu na wektor napicia. Wartoci chwilowe skadowych prdu okrelamy jako: skadow czynn I ac ui ui u u 2 2 (34) i skadow biern I re ui ui u u 2 2 (35) Powysze zalenoci zastosowane zostay w zapisie procedur regulacyjnych napdu. 6. METODA STEROWANIA PRDKOCI POJAZDU Kierowanie pojazdem polega na ustalaniu przez kierowc nastpujcych wielkoci: 1. kierunku ruchu pojazdu, do przodu lub do tyu; 2. prdkoci, z jak powinien jecha pojazd; 3. chwilowego przyspieszenia lub spowolnienia pojazdu; 4. odlegoci, któr ma przejecha pojazd. Podczas jazdy kierowca ocenia aktualn prdko, przyspieszenie lub spowolnienie pojazdu i we waciwy sposób reaguje, zwikszajc lub zmniejszajc warto zadan momentu napdowego. Kierowca jest wic regulatorem prdkoci pojazdu. Ukad na-

15 Napd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego 31 pdowy pojazdu stanowi dla kierowcy element wykonawczy, którego celem dziaania jest regulowanie momentu napdowego lub wielkoci proporcjonalnej do momentu, np. prdu. W opisywanym przypadku sygnaami wejciowymi napdu s: 1. kierunek ruchu pojazdu; 2. warto amplitudy prdów fazowych silnika synchronicznego. Taki ukad sygnaów wejciowych umoliwia prac silnikow lub prdnicow napdu. (rys. 10). Rys. 10. Obszar sterowania napdem w czterech wiartkach kierunek ruchu prd : k zadany kierunek ruchu, k = ±1; I zadana warto amplitudy prdu I max < I < I max Napicia fazowe silnika s synchronizowane wzgldem wirnika, tak, aby poo- enie wektora prdu byo prostopade do wektora strumienia. Przy takim ustawieniu wektorów strumienia i prdu warto momentu napdowego rozwijanego przez silnik jest proporcjonalna do wartoci prdu [6]. W napdzie wybrano metod bezporedniej regulacji prdu z modulacj wektora napicia (DCC-SVM: ang. Direct Current Control with Space Vector Modulation). Zastosowanie bezporedniej regulacji prdu, a nie momentu, pozwolio na znaczne uproszczenie programu regulacyjnego. Zrezygnowano z estymacji strumienia, co znacznie uprocio program regulacyjny i przyspieszyo jego wykonywanie. Zastosowanie czujników pooenia pozwolio synchronizowa prd wzgldem wirnika, co powoduje, e moment rozwijany przez silnik jest wprost proporcjonalny do prdu. W zastosowanej metodzie DCC-SVM wartoci regulowan jest amplituda prdów fazowych silnika, a co za tym idzie, wartoci momentu wytwarzanego przez silnik. Warto sygnau zadajcego ustalona jest przez uytkownika pojazdu (penicego rol regulatora prdkoci) za pomoc pedaów przyspieszania (gaz) i spowolniania (hamulec). Warto wyjciowa z regulatora prdu podawana jest na modulator, który na jego podstawie wylicza czasy zacze poszczególnych kluczy póprzewodnikowych w ukadzie mostka trójfazowego zasilajcego silnik. Sekwencja zaczania poszczególnych tranzystorów zsynchronizowana za jest za pomoc czujników optycznych z aktualnym pooeniem wau silnika (rys. 11).

16 32 M. Janaszek, K. Kwiatkowski Komparator prdu Zadany kierunek prdu PWM kierowca I z Nr sektora k Regulator prdu PI M I z Zadany modu prdu I z I z - I - I I a I b Estymator prdu Rys. 11. Schemat blokowy metody bezporedniej regulacji prdu z modulacj wektora napicia Ukad regulacji skada si z dwóch ptli: ptli bezporedniej regulacji amplitudy prdu; ptli synchronizacji wzgldem pooenia wirnika. Do ukadu regulacyjnego wprowadzane s dwa sygnay zadajce: sygna okrelajcy kierunek prdu (momentu); sygna zadajcy warto prdu (momentu). Przyjta strategia sterowania zakada, e w poszczególnych sektorach prd przepywa bdzie przez dwie fazy silnika, podczas gdy trzecia faza zostanie wyczona. Kolejnoci zaczanych faz okrela pooenie wirnika, co jest tosame z pooeniem wektora strumienia. Fazy zaczane s tak, aby wektor prdu by prostopady do wektora strumienia przy pracy silnikowej, jak i prdnicowej. Przy jedzie z prdkoci mniejsz od maksymalnej warto prdu ograniczana jest przez modulacj PWM wektora napicia. Kierunek przepywu prdu w dwóch fazach w stanie zaczenia i wyczenia tranzystorów podczas pracy silnikowej przedstawiono na rysunku 12. Strategia ta spenia warunki podstawione przed ukadem napdowym pojazdu. Zapewnia dobr dynamik i peen komfort jazdy. Silniki nie emituj uciliwych drga i haasów, co jest wane zwaszcza w przeznaczeniu pojazdu do transportu turystów. Rys. 12. Kierunek przepywu prdu w fazach w kolejnych sektorach. Praca silnikowa: a) sektor 1 tranzystor T1 zaczony, b) sektor 1 tranzystor T1 wyczony, c) sektor 2 tranzystor T3 zaczony, d) sektor 2 tranzystor T3 wyczony, e) sektor 3 tranzystor T3 zaczony, f) sektor 3 tranzystor T3 wyczony, g) sektor 4 tranzystor T5 zaczony, h) sektor 4 tranzystor T5 wyczony, i) sektor 5 tranzystor T5 zaczony, j) sektor 5 tranzystor T5 wyczony, k) sektor 6 tranzystor T1 zaczony, l) sektor 6 tranzystor T1 wyczony

17 Napd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego 33 a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k) l)

18 34 M. Janaszek, K. Kwiatkowski Podczas pracy silnikowej napdu pooenie wektora prdu wyprzedza pooenie wektora strumienia. Prdy przepywajce przez uzwojenia dwóch kolejnych faz ustawiaj wektor prdu w poowie danego sektora. Podczas obrotu wirnika wektor 1 strumienia jest prawie prostopady (z dokadnoci do 6 ) do wektora prdu. Przemieszcza si on wzgldem prdu w zakresie któw od (rys. 13, 14) (tab. 2) do Rys. 13. Schemat przeczania prdów w poszczególnych fazach dla kolejnych sektorów wektora prdu przy pracy silnikowej napdu TABELA 2 Numery zaczanych tranzystorów przeksztatnika podczas pracy silnikowej napdu Sektor prdu Sektor strumienia Faza wejciowa Faza wyjciowa Faza nieczynna Tranzystor zaczany 1 Tranzystor zaczany A C B T1/T2 T B C A T3/T4 T B A C T3/T4 T C A B T5/T6 T C B A T5/T6 T A B C T1/T2 T4

19 Napd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego 35 Sektor 1 Sektor 2 Sektor 3 B B B Sektor 2 Sektor 2 Sektor 2 ic ic 17% ib ib A A ia 16% ia A 16% Sektor 5 Sektor 5 Sektor 5 C C C Rys. 14. Pooenie wektorów prdu i strumienia twornika w kolejnych sektorach przy pracy silnikowej napdu I I I

20 36 M. Janaszek, K. Kwiatkowski Rys. 15. Pooenie wektorów prdu i strumienia twornika w kolejnych sektorach przy pracy prdnicowej napdu

21 Napd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego 37 Podczas pracy prdnicowej napdu pooenie wektora prdu opónia si za pooeniem wektora strumienia. Analogicznie do pracy silnikowej, prdy przepywajce przez uzwojenia dwóch kolejnych faz ustawiaj wektor prdu w poowie danego sektora. Podczas obrotu wirnika wektor strumienia jest prawie prostopady (z dok- adnoci do 1 ) do wektora prdu. Przemieszcza si on wzgldem prdu w zakresie któw od 2 6 do (rys. 15) (tab. 3). 3 TABELA 3 Numery zaczanych tranzystorów przeksztatnika podczas pracy prdnicowej napdu Sektor prdu Sektor strumienia Faza wejciowa Faza wyjciowa Faza nieczynna Tranzystor zaczany 1 Tranzystor zaczany A C B T1/T2 T B C A T3/T4 T B A C T3/T4 T C A B T5/T6 T C B A T5/T6 T A B C T1/T2 T4 Rys. 16. Oznaczenie sektorów silnika we wspórzdnych trójfazowych PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 262, 2013

22 38 M. Janaszek, K. Kwiatkowski 7. BADANIA SYMULACYJNE NAPDU POJAZDU W celu weryfikacji przyjtej metody sterowania silnikami, zbudowany zosta model symulacyjny ukadu napdowego. Model symulacyjny ukadu zawiera: model silnika synchronicznego o magnesach trwaych; model przeksztatnika tranzystorowego; model ptli regulacyjnych realizujcych metod bezporedniej regulacji prdu z modulacj wektora napicia (DCC-SVM). Do oblicze przyjto parametry odpowiadajce parametrom zbudowanych modeli dowiadczalnych silników: rezystancja faz R = 0,3 indukcyjno faz L = 1 mh; staa napiciowa k e = 5,0 V/rad/s; staa momentowa k m = 5,0 Nm/A; moment bezwadnoci wirnika J = 0,4 kgm 2. Przyjto moment bezwadnoci pojazdu sprowadzony do wau silnika J = 30 kgm 2. Przyjto te wspóczynniki oporu ruchu T T Nm T Nm ; k. rad / s rad / s ; Nm 1 1 ; k rad / s k 3 Obliczane byy przebiegi czasowe sygnaów podczas cyklu pracy zoonego z rozruchu do wartoci ustalonej dodatniej prdkoci oraz nawrotu od wartoci ustalonej dodatniej prdkoci do wartoci ustalonej ujemnej. Symulowany czas pracy wynosi 25 s. Sygna zadajcy prd, zawiera w sobie informacj o kierunku prdu i zadanej wartoci moduu wektora prdu. Zadawano prd +50 A (ruch do przodu), a nastpnie nawrót (od +50 A do -50 A). Poszczególne przebiegi (rys. 17, 18, 19) przedstawiaj: przebieg momentu napdowego i prdkoci obrotowej podczas rozruchu, jazdy ze sta prdkoci, a nastpnie nawrotu. Warto momentu podczas rozruchu i nawrotu osiga przyjt warto maksymaln 250 Nm. Przyspieszenie osiga m warto a 2 2, zgodn z wymaganiami (rys. 17a); s moc mechaniczn silnika, dodatni podczas rozruchu i jazdy do przodu i do tyu, która zmienia swój znak podczas nawrotu, co oznacza oddawanie energii elektrycznej do akumulatorów, czyli hamowanie generatorowe (rys. 17b); przebiegi prdów: obwodu poredniczcego, moduu prdu i prdów fazowych (rys. 17c i d); przebieg napicia zasilajcego pokazuje jego spadek od wartoci znamionowej podczas rozruchu i jazdy ze sta prdkoci (rys. 17e). Chwilowy wzrost napicia podczas nawrotu wiadczy o hamowaniu generatorowym. Rysunek 18 pokazuje obliczone przebiegi podczas przechodzenia prdkoci obrotowej przez zero, w czasie 2,5 s. Rysunek 19 pokazuje obliczone przebiegi podczas skokowej zmiany kierunku prdu. Czas oblicze 2 s. Na tych rysunkach, przy rozszerzonej podstawie czasu, wygodnie jest obserwowa przebiegi prdów fazowych. Wyniki przeprowadzonych symulacji w peni odzwierciedlaj zachowanie si rzeczywistego ukadu napdowego.

23 Napd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego 39 a) b) c) d) e) Rys. 17. Przebiegi czasowe podczas rozruchu i nawrotu silnika: a) moment, prdko, sygna zadajcy prd; b) moc mechaniczna napdu; c) prd obwodu poredniczcego, modu prdu; d) prd fazy A, fazy B, fazy C; e) napicie zasilajce DC

24 40 M. Janaszek, K. Kwiatkowski a) b) c) d) e) f) g) Rys. 18. Przebiegi czasowe podczas nawrotu przy przejciu prdkoci przez zero: a) moment, prdko, sygna zadajcy prd; b) moc mechaniczna napdu; c) prd obwodu poredniczcego, modu prdu; d)prd fazy A; e)prd fazy B; f) prd fazy C; g) napicie zasilajce DC

25 Napd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego 41 a) b) c) d) e) f) g) Rys. 19. Przebiegi czasowe podczas zmiany kierunku prdu zadajcego ±50 A: a) moment, prdko, sygna zadajcy prd; b) moc mechaniczna napdu; c) prd obwodu poredniczcego, modu prdu; d) prd fazy A; e) prd fazy B; f) prd fazy C; g) napicie zasilajce DC

26 42 M. Janaszek, K. Kwiatkowski 8. BADANIA DOWIADCZALNE NAPDU POJAZDU Badania dowiadczalne napdu pojazdu przeprowadzano podczas jazd testowych po terenie Instytutu Elektrotechniki w Warszawie. Mierzone i rejestrowane byy w pamici oscyloskopu nastpujce przebiegi czasowe sygnaów: 1. Napicie przewodowe midzy fazami A B; 50 V/dz. 2. Napicie przewodowe midzy fazami A C; 50 V/dz. 3. Prd fazy A 20 A/dz. 4. Prd fazy B 20 A/dz. Podstawa czasu zmieniana bya w zalenoci od rodzaju pracy 25 ms/dz lub 500 ms/dz. Warto napicia zasilajcego z akumulatorów wynosia 105 V. Badania wykonywane byy podczas rónych warunków jazdy. Dla przykadu przedstawiono przebiegi podczas jazd: jazda do przodu z maksymaln prdkoci (rys. 20). Poniewa sia elektromotoryczna silnika jest dua, ptla regulacyjna prdu jest przerwana i modulator PWM nie pracuje. Prdko ktowa silników ograniczana jest wartoci napicia zasilajcego. Warto prdu zasilajcego silnik odpowiadajca momentowi równemu oporom ruchu, jest mniejsza od wartoci zadanej prdu; Rys. 20. Przebiegi napi i prdów w napdzie koa prawego. Jazda do przodu z pen prdkoci: 1 napicie przewodowe midzy fazami A-B; 50 V/dz; 2 napicie przewodowe midzy fazami A-C; 50 V/dz; 3 prd fazy A: 20 A/dz; 4 prd fazy B: 20 A/dz. Podstawa czasu 25 ms/dz jazda do przodu z prdkoci mniejsz od maksymalnej (rys. 21). Poniewa sia elektromotoryczna silnika jest mniejsza od napicia zasilajcego, pracuje ptla regulacyjna prdu i regulator PWM obnia warto napi fazowych. Warto prdu zasilajcego silnik odpowiadajca momentowi równemu oporom ruchu jest zgodna z wartoci zadan prdu;

27 Napd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego 43 Rys. 21. Przebiegi napi i prdów w napdzie koa prawego. Jazda do przodu z niepen prdkoci: 1 napicie przewodowe midzy fazami A-B; 50 V/dz; 2 napicie przewodowe midzy fazami A-C; 50 V/dz; 3 prd fazy A: 20 A/dz; 4 prd fazy B: 20 A/dz. Podstawa czasu 25 ms/dz przejcie od jazdy ze sta prdkoci (maksymaln) do jazdy wybiegiem (rys. 22). Zadanie wartoci prdu równej zeru powoduje, e prd w fazach silnika przestaje pyn. Ptla regulacyjna prdu ogranicza wartoci prdów do zera. Modulator PWM dostraja wartoci napi fazowych do wartoci si elektromotorycznych; Rys. 22. Przebiegi napi i prdów w napdzie koa prawego. Jazda do przodu wybiegiem: 1 napicie przewodowe midzy fazami A-B; 50 V/dz; 2 napicie przewodowe midzy fazami A-C; 50 V/dz; 3 prd fazy A: 20 A/dz; 4 prd fazy B: 20 A/dz. Podstawa czasu 25 ms/dz

28 44 M. Janaszek, K. Kwiatkowski rozruch silnika od prdkoci zerowej do maksymalnej (rys. 23). Podczas rozruchu ptla regulacji prdu ogranicza prdy fazowe do wartoci 50 A. Po osigniciu prdkoci bliskiej maksymalnej, ptla regulacji prdu zostaje przerwana, a wartoci prdów fazowych silnika odpowiadaj momentowi równemu oporom ruchu. Warto prdu jest mniejsza od wartoci zadanej prdu. Rys. 23. Przebiegi napi i prdów w napdzie koa prawego. Jazda do przodu z pen prdkoci: 1 napicie przewodowe midzy fazami A-B; 50 V/dz; 2 napicie przewodowe midzy fazami A-C; 50 V/dz; 3 prd fazy A: 20 A/dz; 4 prd fazy B: 20 A/dz. Podstawa czasu 500 ms/dz Zarejestrowane przebiegi czasowe napi i prdów dokumentuj poprawn, zgodn z zaoeniami prac napdu pojazdu. 9. WNIOSKI Napd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego, opracowany w Instytucie Elektrotechniki w Warszawie, charakteryzuje si nastpujcymi cechami: w napdzie pojazdu zastosowano dwa silniki synchroniczne o magnesach trwaych z wirnikiem zewntrznym. S to silniki momentowe, wolnobiene, zamontowane bezporednio bez przekadni mechanicznej w kole napdowym pojazdu. Takie rozwizanie znacznie zmniejsza opory ruchu oraz pozwala na jazd wybiegiem; zastosowano mikroprocesorowy ukad regulacyjny, sterujcy dwoma przeksztatnikami tranzystorowymi, zasilajcymi dwa silniki synchroniczne. Jeden program regulacyjny realizuje sterowanie dwóch ukadów napdowych. Zapewnia prac silnikow i prdnicow z moliwoci regulacji momentu (prdu)

29 Napd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego 45 i zmian prdkoci ktowej oraz realizuje elektronicznie (programowo) ukad rónicowy napdów; pod wzgldem regulacyjnym jest to ukad napdowy dwusilnikowy, w którym ptle regulacyjne realizowane s przez jeden program regulacyjny i wykonywane przez jeden procesor sygnaowy. Takie rozwizanie upraszcza ukad sprztowy, gdy ukad tradycyjny wymagaby trzech procesorów: dwóch sterujcych napdami i jednego nadrzdnego oraz trzech programów regulacyjnych pracujcych synchronicznie. Praca finansowana bya przez NCBiR z projektu nr NR LITERATURA 1. Janaszek M., Moradewicz A.: Napdy z silnikami synchronicznymi o magnesach trwaych do pojazdów turystycznych. Ogólnopolska Konferencja Naukowa Modelowanie, Symulacja i Zastosowania w Technice MSiZwT, Kocielisko, czerwca 2011, materiay konferencyjne str Zawirski K.: Sterowanie silnikiem synchronicznym o magnesach trwaych. Wydawnictwa Politechniki Poznaskiej, Pozna, Akagi H., Kanazawa Y., Nabae A.: Generalized theory of the instantaneous reactive power in three-phase circuits. JIEE JPEC-Tokyo, 1983, p Akagi H., Kanazawa Y., Nabae A.: Instantaneous Reactive Power Compensators Comprising Switching Devices without Energy Storage Components. IEEE Trans. on In. App. no 3/ Akagi H., Nabae A.: The p-q Theory in Three-Phase Systems under Non-Sinusoidal Conditions. ETEP vol. 3, 1/ Kamierkowski M. P., Krishnan R., Blaabjerg F.: Control In Power Electronics. Selected Problems. Academic Press Rkopis dostarczono dnia r. THE DRIVE OF THE TOURIST VEHICLE PASSENGER-CARGO Micha JANASZEK Kamil KWIATKOWSKI ABSTRACT Article presents the concept of the drive of the tourist vehicle, passenger-cargo with a total weight up to one ton. The drive consists of two convertors controlled by one control circuit, and two motors

30 46 M. Janaszek, K. Kwiatkowski mounted in the wheels of the vehicle. In the drive uses permanent magnet synchronous motors with the reverse construction. With external rotor which is connected directly to a wheel. The control method supports on one program control of two inverters has been discussed. The simulation and experimental research of the system has been presented. Keywords: electric vehicles, electric drive, permanent magnet synchronous motor Dr in. Micha JANASZEK w roku 1974 ukoczy studia na wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej, uzyskujc dyplom mgr. in. elektryka ze specjalnoci automatyka. W padzierniku 1974 r. rozpocz prac w Instytucie Elektrotechniki w Zakadzie Elektrycznych Napdów Obrabiarkowych. Specjalizowa si w napdach prdu staego z tranzystorowymi wzmacniaczami mocy dla obrabiarek sterowanych numerycznie i robotów przemysowych. Zajmowa si identyfikacj parametrów dynamicznych maszyn prdu staego oraz numerycznym modelowaniem dynamiki w syntezie ukadów napdowych. Bra udzia w opracowaniu i przygotowaniu do produkcji napdów dla robotów przemysowych typu IRb, za co otrzyma nagrod zespoow stopnia III MHiPM za rok Od lat osiemdziesitych zajmuje si napdami z silnikami synchronicznymi, w szczególnoci problemami optymalizacji sterowania. Rozpraw doktorsk Problemy bezporedniej regulacji momentu i strumienia silnika synchronicznego o magnesach trwaych obroni w roku 2001, uzyskujc stopie naukowy doktora. Jest autorem lub wspóautorem kilkudziesiciu publikacji z zakresu napdu elektrycznego. Od kilku lat zajmuje si napdami przeznaczonymi dla pojazdów osobowych, towarowych lub turystycznych. Jest czonkiem Polskiego Towarzystwa Elektrotechniki Teoretycznej i Stosowanej. Mgr in. Kamil Szymon KWIATKOWSKI w 2010 roku ukoczy studia na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej. Od 2011 roku jest pracownikiem Zakadu Napdów Elektrycznych Instytutu Elektrotechniki. Obecnie jego gównym obszarem zainteresowania s ukady napdowe przeznaczone do pojazdów elektrycznych.