CC BY
7УДК 621.31
КОМБИНИРОВАННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С АСИНХРОННОЙ МАШИНОЙ
П.Ю. Грачев, Е.В. Ежова
Самарский государственный технический университет 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244
Представлен вариант выполнения комбинированной энергетической установки с асинхронной машиной. Подобные установки можно использовать на средствах транспорта и для работы других автономных объектов.
Ключевые слова: комбинированная энергетическая установка, асинхронная машина, преобразователь энергии, двигатель внутреннего сгорания.
Появление комбинированных энергетических установок (КЭУ) [1] связано с потребностью снизить наносимый окружающей среде ущерб от выхлопов традиционных автомобилей. Автомобили с КЭУ являются промежуточным звеном при переходе от автомобилей с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) к электромобилям. До тех пор, пока не будет найден надежный, энергоемкий, с небольшими габаритами и низкой стоимостью накопитель энергии, альтернативой традиционным автомобилям будут автомобили с КЭУ.
Известны электрические системы со стартер-генераторами на базе электрических машин переменного тока [2, 3]. Известна также электрическая система с асинхронным стартер-генератором и вентильным преобразователем в цепи статора асинхронной машины, соединенной с валом приводного двигателя [4]. Она содержит накопитель электрической энергии (например аккумуляторную батарею) в цепи постоянного тока, соединенный непосредственно с выводами той же полярности вентильного преобразователя. Управляющие выводы полупроводниковых элементов первого вентильного преобразователя соединены с выходами блока выходных каскадов устройства управления. Его входы подключены к выходам трехфазного генератора импульсов. Вход генератора импульсов соединен с выходом основной частоты блока автоматического управления вентильным преобразователем. Этот блок содержит микропроцессорное устройство для регулирования частоты и амплитуды напряжения статора асинхронной машины в стартерном и генераторном режимах. Потребители постоянного тока системы соединены с шинами накопителя электрической энергии (например аккумуляторной батареи).
Рассмотренная система позволяет осуществить эффективный управляемый запуск приводного двигателя от аккумуляторной батареи и вырабатывать электроэнергию для потребителей постоянного тока в генераторном режиме. Недостатками этой системы являются невозможность ее применения в условиях появления потребителей постоянного тока двух уровней напряжения и невысокий КПД в генераторном режиме.
Авторами предлагается энергетическая установка с автомобильным асинхронным стартер-генератором, на которую получен патент РФ [5].
Грачев Павел Юрьевич - к. т. н., доцент.
Ежова Елена Владимировна - к. т. н., ассистент.
На рис. 1 показана функциональная схема предложенной комбинированной энергетической установки.
Электрическая система с автомобильным асинхронным стартер-генератором работает следующим образом.
При повороте ключа в замке зажигания автомобиля производится запуск ДВС. При этом на шинах напряжение номинальное, сигнал на выходе порогового элемента ПЭ отсутствует и управляемый ключ 8 замкнут. Блок автоматического управления БАУ производит регулируемый частотный запуск асинхронной машины АМ от ЕНЭ. Частота импульсов на выходе БАУ увеличивается по мере возрастания частоты вращения ДВС (например, как в [3]). Т.о., управляемый ключ 8 при запуске замкнут и вентильный преобразователь ВП2 не работает.
Рис. 1. Функциональная схема КЭУ:
ДВС - двигатель внутреннего сгорания; ВП - вентильный преобразователь; ДН - датчик напряжений; БАУ - блок автоматического управления; СТ - стабилизатор; П - потребитель; ПЭ - пороговый элемент; СУ - система управления; ЗТ - задатчик тока
После разгона двигателя внутреннего сгорания он вступает в работу и начинает вращать вал асинхронной машины с частотой вращения больше синхронной, задаваемой ВП1. Установка переходит в генераторный режим работы. При этом на низ-
ких частотах вращения ДВС блок автоматического управления стабилизирует напряжение на шинах ВП1. После разгона двигателя внутреннего сгорания до частот вращения значительно выше номинальной БАУ производит регулирование основной частоты на выходе так, чтобы при увеличении частоты вращения вала асинхронной машины амплитуда напряжения на статоре этой машины увеличивалась (например, как в [2]). При этом увеличивается напряжение на выводах ВП1, срабатывает пороговый элемент ПЭ (он может быть выполнен в виде катушки реле, а ключ 8 - в виде нормально замкнутого контакта этого реле) и управляемый ключ 8 размыкается. Начинает работать преобразователь постоянного напряжения ВП2.
Работает преобразователь ВП2 следующим образом. При увеличении напряжения на выводах ВП1 увеличивается ток заряда ЕНЭ, увеличивается сигнал с датчика тока ДТ1, который уменьшает сигнал на выходе устройства сравнения УС3, и система управления СУ1 уменьшает зарядный ток ЕНЭ, как в [4]. Таким образом, ограничивается зарядный ток ЕНЭ. Конденсатор Сфі необходим для замыкания реактивных токов через мостовую схему первого вентильного преобразователя ВП1 при работе преобразователя постоянного напряжения ВП2.
Аналогично происходит регулирование тока заряда аккумуляторной батареи О с помощью понижающего преобразователя постоянного напряжения с транзистором УТ1 и диодом УБ1 третьего вентильного преобразователя ВП3 и системы регулирования с датчиком тока ДТ2, задатчиком тока ЗТЗ и системы управления СУ3. Такое регулирование происходит и при номинальном напряжении на шинах ВП1.
При повышенных напряжениях на шинах ВП1 стабилизатор СТ поддерживает требуемый уровень напряжения на потребителях постоянного тока П1.
Если степень заряженности ЕНЭ недостаточна для осуществления запуска ДВС, перед началом запуска его подзаряжают от аккумуляторной батареи О через повышающий преобразователь постоянного напряжения с транзистором УТ2 и диодом УБ2 третьего вентильного преобразователя ВПЗ. Ток заряда ЕНЭ изменяют с помощью системы регулирования с датчиком тока ДТ1, задатчиком тока ЗТ2 и системы управления СУ2. Регулирование производится изменением длительности проводящего состояния УТ2 с помощью СУ2. При этом индуктивный элемент Ь запасает электрическую энергию для передачи ее на шины ВП1 повышенного напряжения. Емкостной фильтр Сф2 служит для уменьшения пульсаций на шинах потребителей постоянного тока П2.
Таким образом, предложенная энергетическая установка с асинхронным стартер-генератором позволяет производить эффективный регулируемый частотный пуск асинхронной машины при запуске ДВС от ЕНЭ, а также обеспечивает регулируемый заряд накопителей электрической энергии и электроснабжение потребителей постоянного тока двух уровней напряжения в генераторном режиме в широком диапазоне изменения частот вращения ДВС.
Результаты исследований процессов в предложенной КЭУ представлены на рис. 2, а, б. Здесь показаны расчетные осциллограммы процессов запуска ДВС от асинхронной машины КЭУ, переход АМ из режима стартера в режим генератора, а также работа в генераторном режиме. На рисунке используются следующие обозначения:
п - частота вращения вала асинхронной машины;
М - электромагнитный момент асинхронной машины;
Мкв - тормозной момент коленчатого вала ДВС;
/2 - частота тока ротора;
иа - напряжение на входе вентильного преобразователя частоты КЭУ;
- разрядный ток ЕНЭ.
Применение в автомобиле предложенной КЭУ можно рассматривать как один из способов повышения надежности автотранспортных средств [7]. В отличие от системы генерирования и запуска ДВС обычного автомобиля, КЭУ не содержит редуктора и ременной передачи, имеющих невысокую надежность. Исключается и самое ненадежное звено системы запуска ДВС - зубчатая передача между маховиком ДВС (роль которого в КЭУ выполняет ротор ЭМ) и валом редуктора. Электрическая машина имеет возможность работать параллельно с бензиновым двигателем без каких-либо дополнительных механизмов. То есть в конструкции отсутствуют шестерни, не нужны для них смазочные материалы, нет механического шума в работе. Это является и следствием отсутствия в конструкции подшипниковых узлов.
40 -
30 -
=г
|_
03
§-20 -I—
о
о_
03
°10 -
03 I-О I—
О
го 0 -
■10 - __ ___
о 100 200 300 400
Время, МС
Рис. 2. Расчетные осциллограммы
Кроме того, что применение КЭУ повышает надежность работы транспортного средства, также снижаются вредные выбросы в атмосферу, т.к. основная доля выбросов приходится именно на период трогания автомобиля после запуска ДВС, когда ДВС работает при низких частотах вращения. В автомобиле с предложенной КЭУ запуск осуществляется стартер-генератором, который разгоняет ДВС до номинальной частоты вращения.
Необходимо отметить, что КЭУ позволяет получить качественно новый автомобиль, в котором осуществляется рекуперация энергии при торможении, что приводит к существенному снижению потребления топлива.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гзовский М.И. Токовая терапия // За рулем. - 2009. - № 11. - С. 90-102.
2. А.с. 1669075 СССР, МКИ Н 02 Р 9/44. Источник электроэнергии / Грачев П.Ю., Волгин В.Н. и др. -Опубл. 23.09.91, бюл. №29. - 3 с.
3. Патент 4883973 США, кл. 290/31; 290/22/ (United States Patent Number 4883973. Automotive electrical system having a starter/generator induction machine. / General Motors Corporation, Detroit, Mich / Filed: Aug. 1, 1988 / Date of Patent: Nov. 28, 1989).
4. Патент 2173020 Российской Федерации, МКИ Н 02 Р 9/44, F 02 N 11/04. Электрическая система с асинхронным стартер-генератором / В.М. Анисимов, П.Ю. Грачев, А.И. Скороспешкин, В.Н Кудоя-ров (Самарский государственный технический университет). - Опубл. 27. 08. 2001, Бюл. №24. - 4 с.
5. Патент 2282301 Российской Федерации, МПК Н 02 Р 9/48, Н 02 Р 9/04, B 60 L 11/02, B 60 L 11/125, F 02 N 11/04. Энергетическая установка с асинхронным стартер-генератором / П.Ю. Грачев, Е.В. Ежова. - Опубл. 20. 08. 2006, Бюл. №23. - 6 с.
6. Грачев П.Ю., Ежова Е.В. Электропривод переменного тока для гибридного автомобиля с многополюсной асинхронной машиной // Тр. Междунар. 13-й науч.-техн. конф. - Екатеринбург, 2005. -С. 271-274.
7. Грачев П.Ю., Ежова Е.В. Комбинированная силовая установка как один из способов повышения надежности работы автотранспортных средств // Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин: Сб. тр. междунар. науч.-техн. конф. - М.: Машиностроение, 2003. - Т.2, ч.2. - С. 402-405.
Статья поступила в редакцию 1 декабря 2009 г.
UDC 621.31
THE COMBINED ELECTRIC POWER INSTALLATION WITH THE ASYNCHRONOUS MACHINE
P. Grachov, E. Ezhova
Samara State Technical University
244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100
The variant of performance of the combined power installation with asynchronous machine is presented. The Similar installations can be used on automobiles and for work of other independent objects.
Key words: the combined electric power installation, the asynchronous machine, power converter, engine.
Pavel Grachov - Candidate of Technical Sciences, Associate professor. Elena Ezhova - Candidate of Technical Sciences, Assistant.
