Расчет основных характеристик тягового вентильного электродвигателя на базе автомобильного генератора Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

80

Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014

УДК 621.313.333

РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЯГОВОГО ВЕНТИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ НА БАЗЕ АВТОМОБИЛЬНОГО ГЕНЕРАТОРА

В.Я. Двадненко, доц., к.т.н.,

Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет

Аннотация. Предложена методика расчета вентильного электродвигателя на базе мощного автомобильного генератора для конверсии обычного автомобиля в гибридный автомобиль. Приведены и проанализированы результаты расчета основных характеристик электродвигателя на основе автомобильного генератора Г290.

Ключевые слова: вентильный электродвигатель, конверсия автомобиля, гибридная силовая установка, электропривод, результаты расчета вентильного электродвигателя.

РОЗРАХУНОК ОСНОВНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЯГОВОГО ВЕНТИЛЬНОГО ЕЛЕКТРОДВИГУНА НА БАЗІ АВТОМОБІЛЬНОГО ГЕНЕРАТОРА

В.Я. Двадненко, доц., к.т.н.,

Харківський національний автомобільно-дорожній університет

Анотація. Запропоновано методику розрахунку вентильного електродвигуна на базі потужного автомобільного генератора для конверсії звичайного автомобіля в гібридний автомобіль. Наведено та проаналізовано результати розрахунку основних характеристик електродвигуна на основі автомобільного генератора Г290.

Ключові слова: вентильний електродвигун, конверсія автомобіля, гібридна силова установка, електропривід, результати розрахунку вентильного електродвигуна.

ESTIMATION OF THE MAIN CHARACTERISTICS OF THE TRACTION BLDC MOTOR ON THE BASIS OF VEHICLE ALTERNATOR

V. Dvadnenko, Assос. Prof., Ph. D. (Eng.),

Kharkiv National Automobile and Highway University

Abstract. A method of estimation of basic parameters of the BLDC motor based on the vehicle powerful alternator to convert an ordinary vehicle into a hybrid one is offered. The results of estimation of basic characteristics of the electric motor on the basis of the automobile alternator G290 are presented.

Key words: BLDC motor, vehicle conversion, hybrid propulsion system, electric drive, results of calculation of BLDC motor.

Введение

Конверсия обычного автомобиля в подзаряжаемый гибридный автомобиль обеспечивает существенное, в несколько раз, снижение стоимости километра пробега и также существенное снижение вредных выбросов. Но

для такой конверсии необходим недорогой и одновременно имеющий подходящие характеристики электродвигатель. Вентильные электродвигатели (ВЭД) широко применяются в гибридных автомобилях, поскольку имеют высокие значения мощности и КПД при минимальных габаритах и весе, а также

Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014

81

подходящую для тягового электропривода механическую характеристику. Однако тяговые вентильные электродвигатели, пригодные для конверсии, имеют высокую стоимость, что снижает экономическую выгоду преобразования обычного автомобиля в подзаряжаемый гибридный автомобиль.

Анализ публикаций

В работах [1-3] показано, что ВЭД, который удовлетворяет требованиям к гибридному электроприводу, может быть создан на базе мощного автомобильного генератора. Для этого из генератора нужно удалить трехфазный диодный мост, установить датчики положения ротора и обеспечить его работу с соответствующим контроллером и силовой электроникой [1]. Конструкция такого ВЭД хорошо приспособлена к работе в подкапотном пространстве автомобиля, а благодаря массовому выпуску автомобильных генераторов, стоимость ВЭД получается относительно невысокой. Эти обстоятельства делают перспективным процесс создания ВЭД на основе автомобильных генераторов.

Цель и постановка задачи

Производители генераторов никаких характеристик для их работы в режиме вентильного электродвигателя не приводят, а они необходимы при конверсии обычного автомобиля в гибридный автомобиль для расчета тягового электропривода. Следовательно, возникает необходимость проведения расчёта основных характеристик ВЭД на базе автомобильного генератора. Целью данной работы является разработка методики расчета основных параметров такого ВЭД, а именно: мощности, требуемого напряжения тяговой аккумуляторной батареи (ТАБ), механической и токоскоростной характеристик, КПД и т.д.

Разработка методики расчета и результаты расчета

Математическое описание механической характеристики ВЭД является достаточно сложной задачей из-за того, что магнитный поток вблизи насыщения (или «колена» петли гистерезиса) нелинейно зависит от тока в обмотках двигателя. Это связано с тем, что ЭДС вращения двигателя и электромагнитный момент пропорциональны произведени-

ям потока соответственно на скорость ротора и ток якоря. Во многих случаях можно предположить, что двигатель с независимым возбуждением работает при постоянном потоке возбуждения; такое предположение допустимо, если ротор выполнен с высококоэрцитивными постоянными магнитами или система возбуждения имеет компенсацию реакции якоря (что необходимо сделать также и в ВЭД на основе автомобильного генератора). Тогда, если исключить из рассмотрения зону кратковременных перегрузок по току якоря, уравнения токоскоростной и механической характеристик линеаризуются, а математическое описание процессов преобразования энергии в вентильном двигателе упрощается, что позволяет с приемлемой на практике точностью анализировать работу двигателя и рассчитывать основные интегральные параметры тягового электропривода. В качестве тяговых ВЭД используют синхронные машины, включенные по схемам с достаточно малым межкоммутационным интервалом. Это также относится и к выбранной нами трехфазной схеме с реверсивным питанием. Для таких ВЭД может быть использована стандартная модель электропривода постоянного тока в предположении о бесконечно малом межкоммутационном интервале без учета реакции якоря на магнитный поток возбуждения и без учета индуктивности фазных обмоток якоря [4-6]. В этом случае в установившемся режиме для якорной цепи ВЭД может быть применено следующее уравнение баланса напряжений:

U - E - Ri = 0, (1)

где U - питающее напряжение ВЭД; Е - ЭДС вращения; Ra - суммарное сопротивление якорной цепи; 1я - ток якоря.

С учетом указанных выше упрощений, ЭДС вращения Е и вращающий момент М для ВЭД определяются соответственно из выражений

Е = кФю , (2)

M = кФ1я , (3)

где ю - угловая скорость ВЭД; Ф - магнитный поток возбуждения.

Величина конструктивного коэффициента k в (2) и (3) в системе СИ одинакова и определяется выражением [3]

82

Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014

k = pN/(2na),

где p - число пар полюсов; N - число активных проводников; a - число параллельных ветвей якорной обмотки.

Для расчета механической и токоскоростной характеристик ВЭД существенную трудность вызывает определение магнитного потока возбуждения Ф. Поэтому целесообразно определить необходимое для расчетов произведение kФ следующим расчетно-экспериментальным путем. Используя выражения (1) и (2) для режима холостого хода ВЭД, получаем необходимую для дальнейших расчетов величину kФ

кФ = (U - Rя^яххУ Юхх, (4)

где 1яхх - ток якоря в режиме холостого хода; Юхх - угловая скорость ротора в режиме холостого хода.

Далее проводим эксперимент: доработанный генератор с блоком инвертора включаем как электродвигатель в режиме холостого хода. Измерение тока якоря в режиме холостого хода Inxx и питающего напряжения ВЭД U не вызывает трудностей. По измеренной частоте сигнала f с одного из датчиков положения ротора вычисляем скорость вращения вала ВЭД n = f / p (обороты в секунду) и затем получаем значение угловой скорости ю^ на холостом ходу ВЭД, Юхх = 2пп. Значение суммарного сопротивления якорной цепи Ra должно включать сопротивление постоянному току между любыми двумя фазными выводами синхронной электрической машины, сопротивление каналов двух силовых ключей управляемого трехфазного моста инвертора ВЭД, сопротивление соединительных проводов и внутреннее сопротивление ТАБ. Поскольку значение kФ теперь известно, из выражений (1) и (2) получим зависимость угловой скорости ВЭД от тока якоря (токоскоростную характеристику)

Ю(1Я) = ЩШ) - Rala / (кФ). (5)

Подставив в (5) выражение для тока 1я, полученное из (3), получим зависимость угловой скорости ВЭД от момента на валу (механическую характеристику)

ю(М)=и/(кФ) - RM/^)2. (6)

Механическая характеристика (6) представляет собой линейную функцию. При подаче

на ВЭД полного напряжения ТАБ имеем внешнюю механическую характеристику ВЭД. Для достаточно мощного ВЭД внешнюю механическую характеристику на всем интервале 0 <ю< Юхх реализовать невозможно, поскольку на интервале 0<ю< юь где 0<Юі<юхх, значение тока якоря будет превышать предельно допустимые значения для обмоток ВЭД, силовых ключей инвертора и для ТАБ. Значение ю1 может быть определено по токоскоростной характеристике (5) путем подстановки 1я=1ятах

Ю1 = U /(кФ) - Ra Іятах /(кФ).

Другими словами, прямой пуск, без ограничения тока тягового ВЭД, не допустим. В связи с этим обязательно должны быть предприняты меры по ограничению тока, например, силовой инвертор содержит датчики тока и схему ограничения максимального тока. Поэтому с таким инвертором на интервале 0 <ю< ю1 ток якоря равен стабилизированному блоком инвертора предельно допустимому значению 1я = 1ятах, следовательно, там Mmax = кФ1ятах. В координатах ю, М на интервале 0 <ю< ю1 механическая характеристика будет представлять собой прямую М = Mmax, параллельную оси абсцисс, а на интервале ю1 <ю< Юхх - линейную зависимость, задаваемую выражением (6).

Построим механические характеристики ВЭД на основе синхронной электрической машины (автомобильного генератора) Г290. Для построения внешней механической характеристики используем такие параметры генератора Г290: Rx = 0,03 Ом, 1ятах = 150 А. Для определения кФ используем выражение (4) и экспериментально измеренную скорость вращения вала на холостом ходу ВЭД при питающем напряжении 72 В: Nxx (72В) = 3570 1/мин. Напряжение питания ВЭД примем U = 100 В. Для построения частичных механических характеристик, поскольку управление осуществляется изменением напряжения с помощью широтноимпульсной модуляции, примем те же данные, но возьмем меньшие значения U, т.е. U = 65 В, U = 40 В, U = 20 В, U = 4 В.

Из расчетов следует, что Mmax = кФ1ятах = = 28,9 Н/м. При напряжении ТАБ 65В ю^ = = 336,8 1/с, ю1 = 313,5 1/с; при напряжении ТАБ 100В Юхх = 518,2 1/с, ац = 482,3 1/с.

Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014

83

Известно [4, 5], что механическая мощность ВЭД Рмех

Рмех=Мю. (7)

Как видно из графиков на рис. 1, максимальная механическая мощность будет равна

Рмехтах -^^тахЮЬ (8)

где ю1 - точка излома соответствующей механической характеристики.

Следовательно, для электрической машины Г290 при напряжении ТАБ 100 В имеем Рмехтах ~ 13,94 кВт, при напряжении ТАБ 65 В - Рмехтах ~ 9,06 кВт. Увеличивая напряжение ТАБ, можно повышать мощность ВЭД за счет увеличения скорости вращения вала, ограничением является предельно допустимая величина этой скорости.

Поскольку потребляемая от ТАБ электрическая мощность ВЭД Рэл = иія, можно вычислить КПД для ВЭД п без учета механических потерь в подшипниках, потерь на вентиляцию и магнитных потерь

п = Рмех / Рэл = Ю М/ Шя =

= ЫЛФ/( Ш„) = G)k<^/U =E/ U. (9)

В таком приближении КПД ВЭД равен отношению ЭДС вращения к напряжению питания. Подставляя U, полученное из (1), и

умножая числитель и знаменатель на 1я (чтобы перейти к размерности мощности), получим

П = ЮМ/('mM+RJ^) =Рмех/Рмех+RяIя2J. (10)

Из (10) следует, что КПД ВЭД равен отношению механической мощности ВЭД к сумме этой механической мощности и потерь в виде электрического нагрева якорной цепи.

Поскольку в знаменателе (10) слагаемые имеют размерность мощности, можно к ним добавить еще одно слагаемое, учитывающее оставшиеся потери, чтобы получить КПД для ВЭД с учетом механических потерь в подшипниках, потерь на вентиляцию и других трудно учитываемых потерь.

Для этого используем экспериментально снятую зависимость электрической мощности холостого хода ВЭД от напряжения питания Рэлхх = !яхх U. Поскольку на холостом ходу некоторые из ранее неучтенных потерь имеют зависимость от ю (например, вентиляционные потери), а скорость вращения ВЭД на холостом ходу при выбранном напряжении выше рабочей скорости вращения в стационарном режиме, будет некоторая погрешность в определении КПД. Однако очевидно, что эта погрешность имеет высший порядок малости. С учетом этих потерь имеем

П = юМ/( юМ + R/я2 + Іяхх U - Rя Іяхх2). (11)

84

Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014

В выражении (11) учтено, что мощность потерь, определяемая слагаемым RI,2, учитывает полную мощность потерь на электрический нагрев, поэтому потери на электрический нагрев R/ж^2 из экспериментально полученной электрической мощности холостого хода надо вычесть. На интервале 0 <©< ©1 ток якоря равен стабилизированному предельно допустимому значению

/я ^яшах и М Мшах кФ/яшах , следовательно,

на этом интервале имеем для КПД следующее выражение

п © кФ/яшах / © кФ/яшах + Rя/яmax +

+/яхх U - Rя /яхх2). (12)

Получим выражение для КПД на интервале ©1 <©< ©хх, для чего преобразуем механическую характеристику (6) в зависимость М = М(ш)

Подставив (17) в (12), получим выражение для КПД при нормированной скорости на интервале 0 <©0< ©01

П — ©0* © ихх Мшах /( ©0* © ихх Мшах +

+ Rя/я

/яхх U- Rя/яхх)

или после преобразований, учитывая (15)

п ©0 U/яшах /( ©0 U/яшах + Rя/яmax +

+ /яхх U - Rя /яхх ) ■

(18)

Для КПД при нормированной скорости на интервале ©01 <©0< 1 имеем

П = ([Ц^Ф - ШиххШо(^Ф)2]ШиххШо}/{[Ц^Ф -

- ©0©ихх(кФ)2]©0©

ихх + 2 2

+ (U - ШoШиххkФ)2+Rя/яххU- (Rя)2/яхх2} или после преобразований

M = (1/R,)[ШФ - ©(кФ)2]. (13)

Подставляя М из (13) в (11), а также подставляя в (11) полученный из (1) и (2) ток якоря /я = (U - ©кФ)^я, получим следующее выражение для определения КПД

П={[МФ - ©(кФ)2] ©} /{[ШФ - ©(кФ)2] © +

+ (U - ©кФ)2 + Rя/яхх U- №)2/яхх2}. (14)

Если в уравнении механической характеристики (6) подставить М = 0, то получим значение угловой скорости ВЭД при идеальном холостом ходе

© ихх — U /( кФ). (15)

В режиме двигателя угловая скорость зависит от U и Ми никогда не превышает © ихх. Регулирование ВЭД при тяговом режиме (педалью акселератора) сопровождается изменением U, следовательно, чтобы иметь зависимости КПД, пригодные для всех режимов работы, необходимо нормировать угловую скорость на © ихх. Нормированная скорость (новый аргумент) ©0 тогда

или

©0 ш/© ихх ,

© = ©0* © ихх .

(16)

(17)

Изменятся также и границы интервалов для нормированной скорости соответственно на

0 <©0< ©01 и ©01 <©0< 1, где ©01 = Ш1/ ©хх.

П — (1 - ©0)U2 ©0 /[(1 - ©0 )U2 ©0 +(1 - ©0 )2U2 + +Rя/яххU - (Rя)2/яхх2 ]■ (19)

Построим зависимость КПД от нормированной угловой скорости для генератора Г290, имеющего параметры: Ra = 0,03 Ом, /яшах = = 150 А, U — 65 В, /яхх — 9 А.

На графике этой зависимости, приведенном на рис. 2, в точке ©0 = ©01_ ~ 0,93 происходит переход от графика п1(©0), полученного из выражения (18), к графику п2(©0), полученному из выражения (19).

На рис. 3 изображено семейство зависимостей КПД от ©0 с учетом такого перехода, для чего неиспользуемые участки зависимостей удалены.

Цифрами на рис. 3 обозначены: зависимость 1 для U — 65 В и /яхх = 9 А; (внешняя механическая характеристика); зависимость 2 для U — 40 В и /яхх = 6 А; зависимость 3 для U — 25 В и /яхх = 4 А; (частичные механические характеристики).

Из графиков на рис. 3 можно видеть, что максимальный КПД получается при максимальном питающем напряжении. Объясняется это тем, что с ростом напряжения растет угловая скорость и механическая мощность ВЭД, а основные потери, зависящие от ограниченного тока, остаются практически мало меняющимися.

Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014

85

Т7"' 1 ’ —

ці(шо) h

.X T|2[uji>) і‘ ґ ►

н * я и

Г L Г І і1 *

qL----------------------------------------------------------------

О 0.2 0.4 0.6 0.S и; 01 и;0

Рис. 2. Зависимость КПД от нормированной угловой скорости

Рис. 3. Семейство зависимостей КПД от нормированной угловой скорости для трех значений напряжения ТАБ

86

Автомобильный транспорт, вып. 35, 2014

При расчете полного КПД ВЭД с электромагнитным возбуждением к потерям надо добавлять небольшую мощность, рассеиваемую обмоткой возбуждения, т.е. произведение тока возбуждения на напряжение возбуждения. Потери на возбуждение снижают КПД для ВЭД на основе генератора Г290 примерно на 1 %.

Выводы

Предложенная методика расчёта для ВЭД на основе мощного автомобильного генератора позволяет, имея основные параметры генератора и некоторые легкодоступные для измерения параметры электродвигателя, получить основные характеристики, необходимые для расчета тягового электропривода гибридного автомобиля, а именно:

- зависимость угловой скорости от вращающего момента ВЭД (механическую характеристику);

- зависимость угловой скорости ВЭД от тока якоря (токоскоростную характеристику;

- зависимость максимальной мощности ВЭД от напряжения ТАБ;

- зависимость КПД от угловой скорости;

- рассчитать не только внешние, но и частичные характеристики ВЭД.

Литература

1. Бажинов О.В. Конверсія легкового авто-

мобіля в гибридній / О.В. Бажинов,

В.Я. Двадненко, Хакім Маущ. - Х.: ХНАДУ, 2014. - 200 с.

2. Бажинов О.В. Синергетичний автомобіль.

Теорія і практика / О.В. Бажинов,

О.П. Смирнов, С.А. Сєріков, В.Я. Двадненко. - Х.: ХНАДУ, 2011. - 236 с.

3. Бажинов А.В. Электропривод для конверсионного гибридного автомобиля /

A. В. Бажинов., В.Я. Двадненко, Хаким Маущ // Автомобильный транспорт: сб. науч. тр. - 2012. - Вып. 30. - С. 7-12.

4. Ключев В.И. Теория электропривода /

B. И. Ключев. - М.: Энергоатомиздат, 2001. - 698 с.

5. Овчинников И.Е. Вентильные электриче-

ские двигатели и привод на их основе /

И.Е. Овчинников. - С.Пб: Корона-век, 2006. - 336 с.

6. Двадненко В.Я. Особенности двухзонового регулирования вентильного электропривода гибридного автомобиля / В.Я. Двадненко, С.А. Сериков // Перспективы развития автомобилей. Развитие транспортных средств с альтернативными энергоустановками: материалы 75-й Международной научно-технической конференции ААИ 14.1115.11.2011. - г. Тольятти, Россия. -2011.

References

1. Bazhinov O.V., Dvadnenko V.Ya., Накіт

Mausch. Konveraya legkovogo avtomo-Ьііуа v gibridrny. Khar^, KHNADU Publ., 2014. 200 p.

2. Bazhinov O.V., Smirnov O.P., Serikov S.A.,

Dvadnenko V.Ya. Sinergetichniy avtomo-Ьіі. Teoriya і praktika. Khar^, KHNADU Publ., 2011. 236 p.

3. Bazhinov A.V., Dvadnenko V.Ya. Hakim Mausch. Elektroprivod dlya konversion-nogo gibridnogo avtomobilya. Avtomobil-nyy transport: sb. much. tr., 2012, vol. 30. pp.7-12.

4. Klyuchev V.I. Teoriya elektroprivoda. Moskow, Energoatomizdаt Publ., 2001. 698 p.

5. Ovchinnikov I.E. Ventilnye elektricheskie

dvigateli i privod na ih osnove. S.Pb: Ko-rona-vek Publ., 2006. 336 p.

6. Dvadnenko V.Ya., Serikov S.A. Osobennosti

dvuhzonovogo regulirovaniya ventilnogo elektroprivoda gibridnogo avtomobilya. Perspektivy razvitiya avtomobiley. Razvi-tie transportnyh sredstv s alternativnymi energo-ustanovkami: materialy 75

Mezhdunar. nauch.-tehn. konf. AAI 14.1115.11.2011, g. Tolyatti, Rossiya, 2011.

Рецензент: Ю.В. Батыгин, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 29 сентября 2014 г.