Тяговые двигатели в гибридном приводе

ВВЕДЕНИЕ

Целью курсовой работы является систематизация и закрепление знаний, полученных при изучении теоретического курса дисциплины «Автомобили с гибридным приводом», а также при выполнении практических и лабораторных работ.

Гибридные транспортные средства или, как иногда их предпочитают называть, транспортные средства с комбинированной энергоустановкой (КЭУ), представляют нечто среднее между автомобилем (транспортным средством, приводимым в движение тепловым двигателем) и электромобилем (транспортным средством, приводимым в движение электродвигателем и питаемым от бортового источника электроэнергии). КЭУ состоит из двух и более источников энергии: двигатель внутреннего сгорания (ДВС), генератор, аккумулятор, буферный накопитель, батарея топливных элементов и т.д. Отношение к транспортным средствам с КЭУ начало коренным образом изменяться в конце прошлого столетия. В связи с энергетическим кризисом и экологическими проблемами во многих странах стали заниматься вопросами энергосбережения и охраны окружающей среды. Анализируя возможные пути повышения топливной эффективности, специалисты по автомобильной технике обнаружили, что существенную экономию топлива может дать использование КЭУ и современного электропривода. КЭУ с ДВС являются наиболее реальным путем достижения высоких показателей транспортных средств в самом ближайшем будущем, который обеспечивает большую дальность пробега и сохраняет существующую инфраструктуру заправки.

В минимальной  постановке электропривод может  использоваться в качестве мотор-генератора (МГ), устанавливаемого непосредственно на коленчатом валу ДВС и позволяющего выключать ДВС при любой остановке транспортного средства, а при последующем быстром пуске ДВС по команде водителя — начать движение. Лучшие результаты и большую гибкость управления дает схема с дополнительным тяговым электродвигателем (ТЭД) с инвертором, редуктором и механической муфтой сцепления, позволяющей реализовать передачу тягового усилия от ТЭД на ведущие колеса совместно с тягой от ДВС. Это «классическая» параллельная кинематическая схема. Применяются и смешанные кинематические схемы, в которых ДВС и МГ «работают» на двухвходовую планетарную передачу (система СПЛИТ). Развитием указанных кинематических схем является последовательная схема, в которой кинематические связи между ДВС и ведущими колесами принципиально исключаются. Последовательная схема открывает простор для новых конструкторских решений. В последовательной схеме существует возможность исключения коробки передач, сцепления, карданного вала, что существенно снижает общую массу силового оборудования; появляется возможность исключения «последней» механической передачи — дифференциала, который, в принципе, значительно затрудняет построение качественной системы управления движением, ухудшает управляемость и проходимость транспортного средства.

Рациональное соотношение мощностей основных источников тягового усилия от ДВС и ТЭД, а также энергоемкости и мощности накопителя зависит от того, в каких режимах движения будет эксплуатироваться данное транспортное средство. Наибольший эффект от КЭУ достигается при использовании транспортного средства в городском движении: по имеющимся экспериментальным данным, потребление топлива снижается на 25—30%, а в отдельных случаях вдвое.

Особняком стоят транспортные средства большой грузоподъемности, например карьерные самосвалы, в которых использование механической трансмиссии затруднено или даже невозможно. В таких транспортных средствах тяговый электропривод применяется давно, и в настоящее время вопрос заключается в его модернизации. Использование КЭУ в дорожно-строительной и сельскохозяйственной технике позволяет существенно упростить кинематические связи, повысить проходимость и топливную эффективность. Таким образом, происходит процесс «генетической мутации» транспортных средств, качественного изменения их структуры и состава основных силовых устройств.

Электромеханические устройства являются относительно новыми в транспортной технике, принципы их проектирования с учетом специфики применения пока не устоялись, требуется переосмысление многих принципиальных моментов. Переход от исходных данных к параметрам конкретных устройств в настоящее время основывается на опыте разработок этих устройств для других применений и представляется скорее искусством проектировщиков. В самом деле, отсутствуют общепринятые и обоснованные процедуры выбора основных параметров электромеханических устройств для гибридной транспортной техники: коэффициентов редукции, числа передач, частот вращения, частот питания электрических машин, числа пар полюсов и т.д., не говоря уже о выборе типа электродвигателей. Весьма редки случаи корректного сопоставления разработанных систем, тем более что отсутствуют критерии качества их проектирования. Все это в значительной мере сдерживает разработку перспективных образцов гибридной техники, затрудняет взаимопонимание специалистов — разработчиков электрических машин, электроприводов, механических устройств и специалистов-транспортников.

ГЛАВА 1 ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА В ТРАНСПОРТНОЙ ТЕХНИКЕ

1.1 Тяговый привод

В тяговом приводе  ограничивается максимальный момент и мощность на валу привода. Ограничение максимального момента связано в первую очередь с требованиями, определяемыми силовой электроникой (максимальным током силового преобразователя); ограничение гиперболой мощности определяется мощностью бортового источника (ДВС, буферного накопителя).

В режиме торможения происходит рекуперАДия, т.е. возврат кинетической энергии движения транспортного средства. Рекуперируемая энергия может поступать в буферный накопитель или «сбрасываться» в тормозной резистор. Возможен также «сброс» энергии торможения в ДВС через обратимый мотор-генератор, при этом топливо в ДВС не подается.

В основном диапазоне  мощностей 20...70 кВт наибольшее развитие получили асинхронный электропривод (АЭП) и электропривод с синхронным двигателем на основе постоянных магнитов (СЭППМ). Имеются (не очень удачные) примеры использования вентильно-индукторного привода. Из перспективных типов двигателей отметим также синхронно-реактивный. Отметим, что в настоящее время отсутствует методика корректного сопоставления двигателей различных типов [4]. АЭП характеризуется наилучшим соотношением цена/качество. СЭППМ имеет некоторое преимущество в КПД, но стоит дороже. В АЭП работа с ограничением мощности обеспечивается при ограничении напряжения питания двигателя за счет соответствующего ослабления поля. В синхронном приводе с постоянными магнитами поле практически не регулируется, что приводит к необходимости завышения установленной мощности преобразователя в 3-10 раз. Для приводов легких транспортных средств это приемлемо; для средних и тяжелых транспортных средств это приводит к недопустимому удорожанию системы привода.

ТЭД и МГ в гибридном автомобиле питаются от силового преобразователя, максимальную выходную частоту которого можно регулировать и устанавливать в диапазоне до 500 Гц и более, в отличие от общепромышленных асинхронных двигателей, питаемых от сети 50 Гц и допускающих прямой пуск включением в сеть. Указанное отличие является принципиальным, поскольку появляется возможность существенного снижения массы тяговых двигателей практически без снижения их КПД. Вопросы оптимизАДии электродвигателей для транспортного применения далеко не тривиальны, они связаны не только с оптимизАДией самого двигателя, но и с его охлаждением, конструкцией, выбором режимов его работы во всех областях частот вращения и нагрузок.

1.2 Мотор-генератор

Типовая область  скоростей и моментов МГ, работающих совместно в области рабочих режимов ДВС, оптимальных по топливной эффективности и выбросам, характеризуется тем, что максимальный момент реализуется на максимальной частоте вращения. Соотношения и составляют обычно около 2 (при меньшей мощности либо отходят от области рабочих режимов за счет снижения момента вплоть до холостого хода ДВС, либо выключают ДВС). Значения для дизельных ДВС составляют около 2000 об/мин, для бензиновых выше — до 3000-4000 об/мин.

Оптимальный тип ЭД для мотора-генератора назвать трудно. Возможно, что это также асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором или синхронный с постоянными магнитами, или синхронно-реактивный двигатель.

Таким образом, режимы работы ЭД в тяговых приводах и в генераторах существенно различаются, что требует соответственного различия в методиках их проектирования [5].

В настоящее  время идет бурный процесс использования асинхронных двигателей в составе тягового привода. В последнее время появились новые методики оптимизации геометрии активных частей асинхронного двигателя (АД) [6]. Оказалось, что имеются значительные, носящие прорывной характер резервы. Принципы проектирования высокоэффективных АД позволяют утверждать, что для уменьшения массы и повышения КПД активная часть АД вращательного движения должна иметь «бубликообразный» вид: статор и ротор сосредоточены на окружности двигателя, а в центральной части, не участвующей в формировании электромагнитного момента, активные материалы отсутствуют. Для оптимизированных АД при заданной мощности и примерно одинаковых уровнях потерь масса не зависит (точнее, слабо зависит) от частоты вращения ротора.

1.3 Система «электрическая машина — механический редуктор»

Обычно мощности, моменты и частоты вращения выходных (для ТЭД) и входных (для МГ) валов являются заданными; как правило, известны желаемые КПД и габариты системы «электродвигатель — редуктор», а также их максимальная масса. Удельные характеристики ЭД и редукторов, которые определяются параметрами применяемых материалов и технологий изготовления, существенно различаются. Редукторы, как правило, характеризуются более высокими отношениями удельной массы к передаваемому моменту по сравнению с ЭД. Соответствующие показатели, казалось бы, однозначно свидетельствуют в пользу механических редукторов как по удельному моменту, так и по КПД или потерям. Казалось бы, что для оптимизации совокупных показателей целесообразно максимально использовать преимущества механических редукторов. Широко распространено мнение, что выбор редуктора с максимальным коэффициентом передачи и, соответственно, использование электрической машины с максимальной частотой вращения позволяет снизить массу системы «электродвигатель — редуктор». Для обычных ТАД это, в целом, справедливо: снижение момента при фиксированном числе пар полюсов позволяет использовать двигатель меньшей массы. Для оптимизированных двигателей это не так. Масса оптимизированного двигателя определяется его мощностью и незначительно зависит от частоты вращения. Отсюда следует, что целесообразно исключить механический редуктор, который только увеличивает массу и стоимость системы. Если габаритные ограничения нарушаются, целесообразно использовать редуктор. Повышение коэффициента редукции позволяет уменьшить габариты ЭД за счет уменьшения объема не содержащей активных материалов внутренней части, сосредоточенной вдоль оси вращения электрической машины.

Использование редуктора не изменяет приведенный  момент инерции вращающихся масс электродвигателя.

1.4 Система «электрическая машина — коробка передач»

Рассмотрим  вначале случай простейший коробки с двумя номерами передач. Пусть коэффициенты редукции на высшей и низшей передаче отличаются в два раза. Можно ожидать, что это позволит использовать ТЭД с вдвое меньшим электромагнитным моментом. Снижение электромагнитного момента ТЭД в два раза уменьшит его массу примерно вдвое. Соответственно, снижается его стоимость, но увеличивается стоимость механических устройств. Таким образом, использование коробки передач позволяет снизить как массу, так и габариты ТЭД. Отметим, что следует принять во внимание совокупные характеристики электромеханической системы «двигатель — коробка передач», с точки зрения их общей массы и габаритов, а также стоимости, ресурса и других показателей.

Эффективность применения коробки передач тем  выше, чем больше отношение максимального  электромагнитного момента к  моменту, развиваемому на максимальной частоте вращения. предельное относительное снижение массы двигателя за счет использования коробки передач можно оценить величиной . Соответствующее минимальное число ступеней передач оценивается величиной, равной логарифму по основанию 2 от отношения с округлением до ближайшего большего целого значения. Реальная эффективность применения коробки передач несколько меньше.

Использование коробки передач в тяговом  электроприводе увеличивает момент инерции вращающихся масс на низших передачах и снижает момент инерции на высших передачах.

1.5 Система «электрическая машина — силовой преобразователь»

Наиболее перспективным  промышленным типом силового преобразователя для питания ТЭД в транспортных средствах является автономный инвертор напряжения (АИН), работающий в режиме высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Инерционность нагрузки позволяет фильтровать высокочастотную составляющую выходного напряжения АИН. Векторные алгоритмы ШИМ [7] позволяют: снизить коммутационные потери энергии (до 2,25 раз); повысить использование напряжения звена постоянного тока (примерно в 1,15 раз); сократить число переключений (в 1,5 раза); увеличить максимальную длительность импульсов управления.

Основными критериями, характеризующими качество ШИМ, т.е. критериями, которыми оцениваются достоинства и недостатки того или иного алгоритма ШИМ, являются:

- энергетические (потери энергии);

- акустические (звуковые характеристики работы АИН и нагрузки);