Тяговые двигатели в гибридном приводе

- спектральные (спектр напряжений, токов, электромагнитного момента и механические шумы в нагрузке);

- простота реализации (объем вычислений в процессоре, быстродействие, вычислительная мощность, сложность средств аппаратной поддержки), удобство сопряжения с алгоритмами управления нагрузкой (например, с алгоритмами управления электроприводом);

- чувствительность к неточностям реализации, задержкам в выполнении команд и т.д.

Качество ШИМ, с точки зрения потерь энергии, оценивается  дополнительными коммутационными потерями в нагрузке (потери в двигателе из-за наличия коммутационной составляющей токов) и на коммутацию силовых ключей. Мощность первых определяется амплитудой коммутационной составляющей тока, которая при относительно высокой частоте модуляции обратно пропорциональна частоте ШИМ; коммутационные потери в АИН примерно пропорциональны частоте ШИМ. Отсюда следует, что, с точки зрения минимизации суммарных потерь, существует оптимальное по совокупному КПД значение частоты модуляции.

В тяговом приводе  важно снижение стоимости комплектного оборудования при обеспечении требуемых тяговых характеристик. Стоимость силового преобразователя, которая составляет основную часть стоимости тягового привода, определяется ценой силовых приборов, пропорциональной установленной мощности преобразователя. Установленная мощность ТЭД равна произведению максимального электромагнитного момента на максимальную частоту вращения; значение гиперболы мощности, ограничивающей область реализуемых моментов и часто понимаемое как мощность ТЭД, обычно существенно меньше, чем значение установленной мощности электродвигателя.

Принцип рационального выбора мощности преобразователя почти очевиден. Максимальные значения развиваемого электромагнитного момента определяются предельным током в обмотках двигателя. Поэтому целесообразно реализовать максимальный момент в режиме минимального потребляемого тока. Однако при этом должна быть реализована вся область требуемых моментов на тяговой характеристике. В результате получится двигатель, в котором при максимальной частоте вращения реализуется близкое к критическому скольжение. Такой алгоритм выбора обмоточных данных позволяет «с запасом» реализовать заданные тяговые характеристики АЭП. Пример расчета предельных режимов (асинхронный тяговый двигатель) приведен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Требуемые и предельные электромагнитные моменты асинхронного тягового двигателя при согласовании обмоточных данных двигателя

 

В генераторах  максимальный момент развивается на максимальной частоте вращения, и установленная мощность генератора совпадает с максимальной мощностью силового преобразователя. Это еще раз демонстрирует различия в проектировании тяговых электроприводов и генераторов.

Отметим, что целесообразно использование силовых преобразователей в интегральном, транспортном исполнении.

1.6 Режимы работы ДВС в гибридной схеме

Большинство автономных (бортовых, передвижных и стационарных) источников электрической энергии представляют собой электромашинные генераторы вращательного движения, приводимые двигателями внутреннего сгорания. Среди двигателей прямого впрыска предпочтение отдается дизельному двигателю. У дизельных двигателей небольшой мощности, по сравнению с обычными бензиновыми двигателями, топливная экономичность выше на 15—30%, а выхлоп СО₂ ниже на 10—20%.

С точки зрения повышения топливной эффективности, желательно, чтобы рабочие режимы лежали в области многопараметровой характеристики ДВС с минимальным удельным расходом топлива. По многопараметровой характеристике можно определить оптимальные по топливной эффективности значения частоты вращения и момента в функции мощности и впоследствии использовать эти зависимости для управления скоростью вращения ДВС и режимом его нагружения (напомним, что ДВС в последовательной гибридной системе не связан кинематической связью с колесами, скорость движения определяется ТЭД и может выбираться любой в пределах имеющегося ресурса мощности ДВС). Разумеется, можно использовать и экспериментально полученные зависимости. Снижение потребления топлива при использовании оптимального по топливной эффективности режима может быть существенным — на максимальной мощности до 30% и более, по сравнению с обычно используемой частотой вращения ДВС.

Особо следует рассмотреть режим работы системы ДВС — МГ в различных кинематических схемах гибридных транспортных средств.

В системах с электромеханической трансмиссией, без буферного накопителя, МГ должен обеспечивать требуемую по условиям движения мощность ТЭД. Это означает, что момент МГ, являющегося нагрузкой ДВС, будет зависеть от частоты вращения.

В системе с буферным накопителем и в системе с обычной трансмиссией момент нагрузки ДВС при превышении скорости вращения повышается, при снижении скорости — снижается, что, очевидно, повышает устойчивость работы ДВС. В системе с электромеханической трансмиссией ситуация противоположная. Как следствие, условия устойчивой работы ДВС в такой системе отличаются от систем с традиционной трансмиссией, что требует разработки специальных алгоритмов управления ДВС.

Потребность в более совершенных источниках энергии может быть достаточно быстро удовлетворена радикальным улучшением двигателей- генераторов переходом на их безвальное линейное, свободнопоршневое исполнение (СПДГ) [8]. Габаритная мощность, удельная масса и металлоемкость СПДГ в 2,5—3 раза меньше, чем у двигателей-генераторов традиционного исполнения. Основное эксплуатационное преимущество СПДГ — сниженный примерно на 30 % расход топлива.

1.7 Буферные накопители

Требования к накопителям в конкретных применениях весьма разнятся. Например, в некоторых случаях критическим параметром является мощность, а количество запасаемой энергии не важно; в других применениях критическим параметром является энергоемкость. Имеются отличия и в числе циклов за время работы энергоустановки; различаются требования по надежности, устойчивости к перегрузкам и т.д., что обуславливает целесообразность выбора того или иного типа накопителя для конкретного применения.

Варианты буферных накопителей:

- супермаховик;

- аккумуляторная батарея (буферная);

- суперконденсатор.

Возможна также комбинация отдельных накопителей (гибридный накопитель).

Основой механического (маховичного) накопителя является тело вращения —  маховик, в наиболее перспективных  конструкциях — т.н. «супермаховик». Супермаховик изготавливается из слоистых и волокнистых материалов высокой прочности (лент, проволок, элементарных или композиционных волокон) и обладает, кроме высокой удельной энергоемкости, свойством безопасного разрыва. Супермаховик используется крайне редко — в настоящее время нет примеров его применения в промышленно выпускаемых автомобилях.

Большинство имеющихся на рынке батарей имеет номинальное  напряжение 12 В. Для того чтобы их сборка имела высокое номинальное напряжение, необходимо использовать последовательное соединение. Каждый тип батарей имеет свои преимущества и недостатки. Кадмий представляет опасность для жизни человека. Технология литиево-полимерных батарей пока находится в стадии эксперимента, и их количество на рынке ограничено. Исследователи продолжают разработку литиево-полимерных аккумуляторов с сухим твердым электролитом, работающим при комнатной температуре. Металлогидридные и никелево-натриевые батареи слишком большие и тяжелые и на их базе трудно создать достаточно мощную сборку для транспортного средства. Плотность энергии аккумуляторов Li-lon обычно вдвое превышает плотность стандартных NiCd, а в перспективе, благодаря применению новых активных материалов, предполагается еще увеличить ее и достигнуть трехкратного превосходства над NiCd. Li-lon-аккумулятор подвержен старению, даже если он не используется. По вполне очевидным причинам производители об этой проблеме умалчивают.

Электрические накопители конденсаторного типа по принципу действия можно разбить на три группы:

- электронные конденсаторы с жидким или твердым диэлектриком;

- суперконденсаторы, или двой- нослойные конденсаторы, принцип действия которых основан на использовании емкости двойного электрического слоя, образующегося на границе электрод-электролит;

- ионисторы, представляющие собой гибрид двойнослойного конденсатора и аккумулятора.

Традиционные  электронные конденсаторы с жидким и твердым полимерным диэлектриком, имеющие относительно низкую емкость, в качестве накопителей не используются. Высокие плотности энергии, позволяющие, в частности, использовать их в гибридных энергетических установках транспортных средств, имеют ионисторы с жидким электролитом. Активно разрабатываются конденсаторы с двойным электрическим слоем на основе волокнистых углеродных материалов (активированные и неактивированные ткани, металлизированные углеродные волокна).

Среди гибридных  накопителей отметим совместное использование АБ и суперконденсатора, что позволяет повысить как удельную энергоемкость, так и мощность такой  системы.

У АБ имеются  следующие недостатки.

1. Характеристики разряда АБ снижаются при большой мощности.

2. Число циклов существенно зависит от мощности. При большой мощности разряда необходима частая замена батарей.

3. Плохо функционируют при низкой температуре.

4. Трудность заряда при рекуперации.

5. Они небезопасны, особенно при полном заряде или разряде.

Суперконденсаторы характеризуются следующим.

1. Они выдерживают миллионы циклов.

2. Плотность мощности примерно на два порядка выше.

3. Работают в широком температурном диапазоне.

4. Недостаточно энергоемки.

Учитывая всю  совокупность факторов, определяющих выбор накопителя, прежде всего климатику и ресурс (эксплуатация без замены накопителя), для реализации рекомендуются промышленно выпускаемые суперконденсаторы и литиево-ионные аккумуляторные батареи. У такой батареи для буферного накопителя гибридного автобуса следующие характеристики:

- количество аккумуляторов — 240;

- максимальное зарядное напряжение, В — 850;

- минимальное разрядное напряжение, В — 720;

- энергоемкость номинальная, кВт-ч — 30,7;

- энергоемкость в конце службы, кВт-ч — 25;

- энергоемкость  при 70% DOD в конце службы, кВт-ч — 17,5;

- стоимость (с тестированием и подбором, комплектом силовых перемычек и конструктивом) — 2,5 млн. руб.

Отметим, что  выбор буферного накопителя в последовательной схеме не влияет на параметры электромеханических устройств, что позволяет его проектировать и испытывать автономно по критериям дополнительной стоимости ДВС и буферного источника, требуемой пиковой мощности тягового привода и приемлемого уровня выбросов.

 

ГЛАВА 2 МЕТОДЫ СИНТЕЗА УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

 

Для функционирования системы привода необходима качественная система управления, частотная или векторная [9]. Такая система должна обеспечивать оптимальный по потерям режим работы двигателей во всех диапазонах частот вращения, электромагнитных моментов, скольжений, индукций и т.д. Однако для тяговых приводов необходимо также учитывать критерий максимального использования имеющихся ресурсов, прежде всего максимальных напряжения питания и тока, которые ограничиваются установленной мощностью силового преобразователя. Требуется, чтобы асинхронный тяговый двигатель мог бы реализовать максимально возможные значения момента, пусть даже и не в режиме максимального КПД, если при данном моменте оптимальный по КПД режим невозможно реализовать при определенных ограничениях напряжения и тока.

К точности регулирования момента или частоты вращения и к динамике протекания процессов в транспортном приводе жестких требований обычно не предъявляется.

Общепринятым описанием, адекватно отражающим статические и динамические процессы, является модель асинхронного двигателя (АД) на базе обобщенной электрической машины, разработанная Парком. Для учета наиболее существенных явлений в реальной машине принимается ряд упрощающих предположений, в рамках которых сохраняются основные физические особенности процессов: симметричность, равномерность зазора и распределения обмоток, распределения магнитного поля при пренебрежении краевыми эффектами, ненасыщенность магнитного материала и др. Уравнения Парка широко известны [10], и мы не будем приводить их в рамках данной работы.

Заметим, что общепринятой модели электромагнитных процессов в АД, в которой учитывалось бы насыщение, гистерезис, вихревые потери и т.д., в настоящее время не существует. Насыщенный магнитный материал анизотропен, его поведение при вариациях внешнего поля по направлениям, изменяющим уровень насыщения (вдоль поля) и при повороте вектора поля (т.е. без изменения его величины, ортогонально полю) имеет качественные различия. Следовательно, строго говоря, заведомо несправедлив принцип суперпозиции, на использовании которого основан переход к эквивалентной обобщенной электрической машине и вывод уравнений Парка.

В уравнениях Парка присутствуют значения сопротивлений статора и ротора, индуктивностей статора и ротора и взаимоиндуктивности. Значения этих параметров (параметров схемы замещения) считаются постоянными. Параметры схемы замещения могут определяться разработчиками и изготовителями двигателей по геометрии активной части, характеристикам материалов и обмоточным данным по расчетной модели двигателя. Однако изготовители двигателей не предоставляют таких сведений. Разработчикам регулируемых приводов, которым необходима информация о параметрах АД как объекта управления, ничего не остается, как создавать методы экспериментальной идентификации параметров АД по измерениям напряжения, тока, электромагнитного момента и частоты вращения ротора.