TRANSCOMP XIV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT

Transkrypt

1 TRANSCOMP XIV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT przepięcia, napę elekryczny Konra ZAJKOWSKI 1 Sanisław DUER Dominik ŁYSKOJĆ (rzy linijki osępu, 10p) REGULACJA PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ SILNIKA W SAMOCHODZIE ELEKTRYCZNYM W ASPEKCIE MINIMALIZACJI PRZEPIĘĆ KOMUTACYJNYCH W arykule okonano przegląu moŝliwych meo regulacji prękości obroowej silników elekrycznych sosowanych w samochoach elekrycznych. Omówiono przepięcia powsające wskuek komuacji w obwozie silnika. Dokonano analizy przepięć i meo ich reukcji owarzyszących procesowi załączania, wyłączania i regulacji prękości silnika. Przesawiono rozwiązania sosowane przez kilku proucenów i omówiono sposoby poprawy isniejących rozwiązań. Ze wzglęu na uŝe prąy w obwozie, przekłaające się na uŝe przepięcia na inukcyjnościach, zaganienie jes waŝne i uzasanione ekonomicznie. (wie linijki osępu, 10p) ADJUSTING SPEED ELECTRIC MOTOR IN THE CAR IN THE ASPECT MINIMIZATION SWITCHING SURGES The paper reviews he possible mehos for spee conrol of elecric moors use in elecric cars. Discusse ue o swiching overvolages in he moor circui. An analysis of surges an heir meho of reucion accompanying he process of swiching an conrol engine spee. Are soluions use by several manufacurers an iscusse ways o improve exising soluions. Due o he large currens in he circui, is reflece in he large surges in he inucance, he issue is imporan an economically jusifie. (wo line of space, 10p) 1. WSTĘP Nowoczesne pojazy napęzane silnikiem elekrycznym zaoparzone są w insalację wysokoprąową niskonapięciową zasilającą główny silnik roboczy. Komuacja uŝych prąów skukuje powsaniem niebezpiecznych przepięć w obwozie z inukcyjnością. Przepięcia mają niekorzysny wpływ na ziałanie pozosałych obwoów i elemenów skłaowych pojazu. Mogą oprowazić o uszkozenia uzwojeń silnika i pozespołów 1 wszyscy: Poliechnika Koszalińska, Zakła Zasosowań Elekroniki i Elekroechniki, ul.racławicka 15-17, Koszalin, el konza@u.koszalin.pl, suer@u.koszalin.pl

2 3790 Konra ZAJKOWSKI, Sanisław DUER, Dominik ŁYSKOJĆ elekronicznych. Zjawiska przepięć owarzyszą u załączaniu, wyłączaniu jak równieŝ w pewnych rozwiązaniach regulacji prękości obroowej. Problem przepięć szczególnie zauwaŝalny jes przy obiornikach o charakerze inukcyjnym współpracujących z elemenami elekronicznymi w ukłazie serowania. (jena linijka osępu, 10pk) 2. ANALIZA MOśLIWYCH ROZWIĄZAŃ Ze wzglęu na ławość magazynowania i wywarzania energii w ogniwach elekrochemicznych, posawową energią w pojeźzie elekrycznym jes prą sały. Przy zasosowaniu silników prąu sałego nie wysępują sray energii na przewarzaniu DC/AC. 2.1 Silnik wykonawczy prąu sałego Wśró moŝliwych zasosowań w napęzie głównym pojazu elekrycznego prąu sałego naleŝy wymienić silnik obcowzbuny, szeregowy, bocznikowy i szeregowobocznikowy. Oczywiście pewne ypy z wymienionych silników są barziej zalecane o pozosałych przy akim ypie obciąŝenia. Niemniej wybrany yp rzuuje na moŝliwe sposoby regulacji prękości obroowej. W silniku bocznikowym zmiany momenu obciąŝającego nie wpływają na warość srumienia głównego, zaem wysępuje u mała zaleŝność prękości obroowej o momenu obciąŝenia. Przy obciąŝeniu ego silnika momenem znamionowym M N, jego prękość obroowa n N jes o 2 5% mniejsza niŝ prękość przy biegu jałowym n 0. Silnik szeregowy charakeryzuje się znacznym momenem obroowym zwłaszcza przy niewielkiej prękości obroowej. Przy małym obciąŝeniu prękość obroowa moŝe osiągać niebezpiecznie uŝą warość. Prękość obroową silników prąu sałego moŝemy regulować przez: zmianę srumienia Φ fa regulacja bocznikowa, zmianę rezysancji R ra regulacja szeregowa i przez zmianę napięcia zasilającego U. Meoy rezysancyjne wprowazają oakowe sray na ciepło. Rezysancje wprowazone w obwó wornika przenoszą uŝe warości prąu, zaem komuacje w ym obwozie są szczególnie naraŝone na przepięcia. Ponao przy sosowaniu meoy rezysancyjnej, sprawność ukłau napęowego maleje w miarę zmniejszania prękości kąowej. Prą magnesujący w obwozie wzbuzenia jes na ogół mały, a sray w rezysorze regulacyjnym w meozie bocznikowej są niewielkie, więc sprawność regulacji jes wysoka. Waą ej meoy jes ograniczony zakres regulacji (regulacja w górę - prękość kąowa rośnie przy zmniejszaniu srumienia). Nieopuszczalną waą ej meoy jes zjawisko rozbiegania się maszyny przy wprowazeniu przerwy w obwó magneśnicy. Pojaz w rakcie kolizji i uszkozeniu obwou serującego srumieniem Φ fa, zamias zarzymać się, zacząłby zwiększać prękość. Komuacje w obwozie magneśnicy charakeryzują się małą warością prąu w obwozie lecz uŝą warością inukcyjności uzwojenia. Posumowując powyŝsze rozwaŝania najbarziej opymalnym rozwiązaniem w pojeźzie elekrycznym jes zasosowanie silnika szeregowego (uŝy momen przy rozruchu).

3 REGULACJA PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ SILNIKA W SAMOCHODZIE ELEKTR Rys.1. Silnik prąu sałego (14kW, szczy 30kW, 84V, waga 11kg) firmy LEMCO D-135 przeznaczony o napęu w samochozie elekrycznym W silniku szeregowym prękość kąową moŝna regulować przez zbocznikowanie wirnika, zmianę napięcia zasilającego i zmianę rezysancji szeregowej R ra. Wszyskie meoy regulacji w ym silniku wymagają ingerencji w obwó wysokoprąowy. Zbocznikowanie wirnika sprowaza się równieŝ o komuacji w obwozie wysokoprąowym. Meoy zmiany warości rezysancji w obwozie wysokoprąowym oprócz problemów komuacyjnych, pogarszają sprawność regulacji. Rozwiązaniem ego problemu jes zasosowanie kluczowania ze zmianą współczynnika wypełnienia (PWM). Zwiększa się przez o sprawność regulacji lecz koszem zwiększenia wpływu sanów nieusalonych. Przykłaowo serownik firmy Curis (72 120V, 550A w impulsie, 375A /5 min, 225A /1 goz.) kluczuje w obwozie wysokoprąowym silnika DC z częsoliwością o 15 khz.

4 3792 Konra ZAJKOWSKI, Sanisław DUER, Dominik ŁYSKOJĆ Rys.2. Schema połączeń serownika Curis z silnikiem szeregowym DC Jak wiać efekywna regulacja prękości w silniku DC w samochoach elekrycznych wymaga komuacji w głównym obwozie zasilania. Doyczy o zarówno meo oparych na zmianach warości rezysancji, jak i PWM. Komuacje powoują powsawanie przepięć, kóre szczególnie niekorzysnie wpływają na pracę urzązeń elekronicznych. Regulaor CURTIS PMC w członie wykonawczym wykorzysuje ranzysor MOSFET. D 1 D 2 Rys.3. Diagram blokowy połączeń konrolera Curis PMC 1204/1205

5 REGULACJA PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ SILNIKA W SAMOCHODZIE ELEKTR Zabezpieczenie przeciwprzepięciowe w serowniku Curis (rys.3) sanowią wie ioy w członie POWER SECTION. W czasie kiey ranzysor jes w sanie wyłączonym, prą płynący przez silnik zamyka się przez ioę D 1 połączoną równolegle z silnikiem. Równolegle z baerią połączony jes konensaor filrujący pulsacje napięcia zasilającego. Dioa D 2 zabezpiecza obwó wornika poczas hamowania silnika szeregowego. Opisywany przypaek ilusruje rysunek rys.4. Rys.4. Droga prąu w członie wykonawczym serownika ranzysor załączony ranzysor wyłączony Rys.5. Przebieg prąu płynącego przez silnik Zasosowanie ioy jenokierunkowej umoŝliwia rozłaowanie energii zgromazonej w polu magneycznym inukcyjności silnika. W pierwszym przybliŝeniu moel ioy przesawiono w posaci rezysancji, oczywiście innej la kierunku przewozenia i zaporowego. Przyjęo liniowy moel silnika o paramerach: L, R, e. Źróło przesawiono jako: U i R w. W chwili czasu 0 obowiązuje więc moel z rys.6.

6 3794 Konra ZAJKOWSKI, Sanisław DUER, Dominik ŁYSKOJĆ 0 + U - R w R L e r Rys.6. Schema baanego moelu silnika z rezysancją ioy gzie: e E E e 0 > 0 β. (1) Przyjmując rezysancję ioy w kierunku zaporowym r obowiązuje równanie oczkowe: gzie ransformaa wyraŝenia (1): r ( s ) + E ( s ) + I ( s )[ R + sl ] L I 0 I 0, (2) E ( s) E s + β oraz warunki począkowe la 0 (san począkowy ukłau): I U E R + R Przekszałcając równanie (2) orzymuje się: L I 0 E 1 I( s) I 0 R + r + sl s + R + r + sl s + r, (3) 0. (4) w E 1 ( β )( ) α L ( s + α )( s + β ) r (5) gzie: R + r L α. (6)

7 REGULACJA PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ SILNIKA W SAMOCHODZIE ELEKTR Przekszałcenie owrone równania (5) w ziezinie czasu: i ( ) naomias napięcie: U ( ) U E R + R w e α βl E R r e R + r L e β R + r U E E r α L β r e e e R + Rw βl R r U I U II 0 (7) Wiać zaem, Ŝe napięcie U skłaa się z wóch członów U I i U II. Znak ego równania zaleŝy więc o r i. Orzymane równanie (8) jes funkcją uwikłaną ze wzglęu na ( ) r f. U Do celów symulacyjnych przyjęo charakerysykę ioy aproksymowaną rezysancją szeregową i upływu, oraz pojemnością mięzyzłączową. Klucz ranzysorowy porakowano jak iealny wyłącznik z rezysancjami 0Ω przy załączeniu, oraz przy wyłączeniu. Komuacja nasępuje po czasie 100ms. 0 + U - R w (8) R L e R u R s Rys.7. Schema baanego moelu z ioą rzeczywisą W symulacji przyjęo paramery ioy opowiaające iozie mocy, oraz warości przykłaowe: U120V, E 0 110V, R w 0.2, R 1.8Ω, L 0.3H. C j C

8 3796 Konra ZAJKOWSKI, Sanisław DUER, Dominik ŁYSKOJĆ Rys.8. Teoreyczny przebieg napięcia na obiorniku bez zabezpieczającej ioy (nie uwzglęniając zjawisk łukowych zachozących na wyłączniku) Rys.9. Przebieg napięcia na silniku z ioą zabezpieczającą Warunkiem prawiłowego zabezpieczenia przeciwprzepięciowego w ym przypaku jes umiejscowienie ioy blisko elemenów ochranianych na krókich przewoach. Wprowazenie oakowych inukcyjności na przewoach oprowazających (ioa zabezpieczająca aleko o elemenów ochranianych) spowouje pogorszenie ochrony.

9 REGULACJA PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ SILNIKA W SAMOCHODZIE ELEKTR Silnik wykonawczy prąu przemiennego Znane są rozwiązania napęów w pojazach elekrycznych przy wykorzysaniu silników rójfazowych. Regulacja prękości obywa się u poprzez zmianę częsoliwości przebiegu napięcia. Rozwiązanie akie umoŝliwia poprawę warunków regulacyjnych i zmniejszenie sra mocy. Zaleą jes ańszy i mniej awaryjny silnik, waą naomias konieczność sosowania przewornicy częsoliwości i problemy z ozyskiem energii przy hamowaniu. Pomięzy źrółem zasilania a silnikiem musi być umiejscowiony falownik ze zmienną częsoliwością. baeria akumulaorów hamowanie napę silnik falownik serownik Rys.10. Blokowy opis meoy ozysku energii w silniku prąu przemiennego Przykłaowo polska firma z Pruszkowa Impac Auomoive Technologies zecyowała się na zasosowanie w pojeźzie Re-Vol silnika prąu przemiennego (rys.11). Z powou, Ŝe silnik prąu przemiennego la regulacji częsoliwościowej ma sały momen przy zmianie prękości kąowej akie rozwiązanie nie wymaga sosowania skrzyni biegów. Silnik la Re-Vola przygoowała firma Komel naomias pakiey akumulaorów liowopolimerowych (złoŝone z ogniw firmy Kokam) osarcza firma Wamechnik. Rys.11. Trójkołowy wuosobowy pojaz elekryczny Re-Vol firmy Impac Auomoive Technologies

10 3798 Konra ZAJKOWSKI, Sanisław DUER, Dominik ŁYSKOJĆ W pojeźzie elekrycznym firmy Impac Auomoive Technologies zasosowano silnik synchroniczny z magnesami rwałymi serowany wekorowo o mocy maksymalnej 11.6kW. Blok napęowy (rys.12) zawiera sałe przełoŝenie na ylne koło i nie posiaa sprzęgła. Rys.12. Blok napęowy pojazu Re-Vol napęzający ylną oś Falownik przekszałca napięcie sałe na przemienne. MoŜliwe jes o poprzez komuacje w ranzysorach sopnia mocy. Komuacje zaem obywają się znów w głównym obwozie prąowym. Reukcja przepięć powinna być zaem analizowana zarówno przy napęzie oparym o silnik prąu sałego i przemiennego. Obywa rozwiązania naraŝone są na uszkozenia przy zepsuej lub źle obranej ochronie przepięciowej. 3. WNIOSKI Brak ochrony przepięciowej w pojeźzie elekrycznym nowej generacji oprowaza o uszkozenia elemenów serujących (przekroczone napięcie przebicia na rys.8). Przy wysokich cenach ych pozespołów sosowanie ochrony jes niezbęne. Warunkiem skuecznej ochrony przy prązie sałym jes sosowanie szybkiej ioy zabezpieczającej umiejscowionej w bezpośreniej bliskości z ochranianym członem ukłau. Przewoy połączeniowe ioy powinny być na yle krókie, aby nie wprowazały oakowej inukcyjności. Poprawę ochrony przepięciowej uzyska się sosując równolegle z ioą konensaor filrujący szybkie przebiegi przepięciowe (bibliografia [3]). 4. BIBLIOGRAFIA [1] Łyskojć D., Duer S., Zajkowski K..: Analiza moŝliwości wykorzysania silników elekrycznych w napęach pojazów samochoowych, XV Konf.Naukowo-Techn. ZKwE'2010, Poznań, [2] Zajkowski K., Duer S.: Projek iagnoskopu silnikowego oparego na karcie pomiarowej analogowo-cyfrowej. LOGISTYKA s , 2/2010, Poznań [3] Zajkowski K.: Analiza sanu nieusalonego w obwozie zawierającym silną nieliniowość. LOGISTYKA s , 2/2010, Poznań 2010 [4] Maeriały reklamowe pojazu Re-Vol [5] Insrukcja konrolera Curis PMC 1204/1205