Схемні рішення застосування вентильних машин у електроприводі автомобілів Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.3+504

СХЕМН1 Р1ШЕННЯ ЗАСТОСУВАННЯ ВЕНТИЛЬНИХ МАШИН У ЕЛЕКТРОПРИВОД1 АВТОМОБ1Л1В

Д.О. Смирнов, А.В. Сараев, студенты, ХНАДУ

Анотаця. Проанал!зовано питания застосування вентильних машин для електропривода автомобтв. Наведен7 особливост1 конструкци г1бридних автомобтв та електрична схема живлення вентильних машин.

Ключовi слова: електропривод, вентильна машина, система керування, рекуперативне гальмування, схема живлення.

Вступ

В останш два десятирiччя з розвитком науки й техшки розширюють меж свого застосування вентильш електричш машини у щоденному побуп, транспортi i в промисловосп. Вентильнi електричнi машини все часпше застосовуються в регульованих електроприводах автотранспортних засобiв, наприклад електромобiлях та пбридних силових установках. Концепцiя

вентильного двигуна була висунута ще на початку XIX столотя, але тiльки з появою сучасних компонентiв силово! електрошки та комп'ютерного керування виникла можливють його фiзичноl реалiзацil.

Аналiз публжацш

Вентильний електропривод - це механотронна система, яка складаетъся з електрично! вентильно! машини, що приводить в рух виконавчий механiзм, датчик положення ротора довшьного типу та перетворювач напруги [1]. Вентильний електропривод використовують, як правило, для регулювання частоти обертання, тому структурну схему необхщно замкнути колом зворотного зв'язку через систему керування (рис. 1).

Рис. 1. Структурна схема вентильного

електропривода Завдяки застосуванню висококоерцитивних постшних магнтв з матерiалiв «залiзо-неодим-бор» i використанню спецiальних конструктивних рiшень в активних частинах магштно! системи щ двигуни мають оптимальнi габаритно-масовi параметри i значну перевантажувальну здатнiсть [2]. Саме тому вентильш двигуни знайшли свое застосування на автомобшьному

транспортш.

У цей час виготовленням та впровадженням вентильних електричних машин займаються практично вс провiднi

електромашинобудiвнi компани, такi як Siemens, Bosch, General Electric та багато iнших. Спещально для потреб автомобiльного транспорту розробляють та виготовляють вентильш машини компани Toyota, Honda, Mitsubishi, у тому чи^ й для встановлення в маточину колю електромобшв та пбридних автомобшв [3].

У сучасних пбридних автомобшях використовуеться режим рекупераци енергп. Рекуперативне гальмування здiйснюеться за рахунок моменту опору електричного генератора, що обумовлюе низью витрати палива та

зменшуе кiлькiсть викидiв шкiдливих речовин [4].

Мета та постановка задачi

Система керування

Метою цього дослщження е пiдвищення технолопчносп та екологiчностi роботи силових установок автомобшв, шляхом використання гiбридних технологш, задачею - проведення аналiзу застосування вентильних машин для електропривода традицшних автомобiлiв, з метою покращення екологiчних та економiчних показникiв.

На сьогодш в автомобiлебудуваннi придiляеться серйозна увага питанням створення ресурсозберпаючих, ефективних та екологiчно чистих транспортних засобiв. Але на автомобiльному ринку Укра!ни такi сучаснi транспортнi засоби, як електромобш та гiбриднi автомобiлi, поки що не представленi.

Особливостi конструкцн гiбридних автомобiлiв

Застосування вентильних машин для приводу електромобшв або в складi гiбридних силових установках автомобшв обумовлено тим, що вони мають високi пусковий момент, завадостiйкiсть та надшшсть, ККД, невелику масу, можливють роботи в широкому дiапазонi температур, вологосп, тиску, практично необмежений дiапазон регулювання частоти обертання.

Особливiсть автомобшв з пбридною силовою установкою полягае не тшьки в двох рiзних джерелах мехашчно! енергп (ДВЗ, електричний двигун), а ще й в двох ддачих системах гальмування:

рекуперативное' та звичайно! riдравлiчно!

При легкому натисненш на педаль гальма або при повшьному русi пiд ухил вступае в дiю система рекуперативного гальмування [4], яка переводить тяговий електричний двигун в генераторний режим та здшснюе через перетворювач напруги заряд високовольтно! акумуляторно! батаре! (рис. 2). Двигун внутрiшнього згоряння при цьому автоматично вiдключаеться.

Рис. 2. Схема рекуперативного гальмування

Рекуперативне гальмування здшснюеться за рахунок моменту опору обертання електричного генератора. Чим вище сила струму заряду високовольтно! акумуляторно! батаре!, що виробляеться оберненою електричною машиною, тим бшьше гальмiвне зусилля.

Керування рекуперативним гальмуванням досягаеться за рахунок спшьного керування гальмiвною системою й пбридною трансмюею. При такому керуванш рекуперативна та гiдравлiчна гальмiвнi системи забезпечують сумарне значення гальмiвного зусилля. Одночасно

враховуються коливання параметрiв рекуперативно! системи гальмування, викликанi ступенем зарядженостi

високовольтно! акумуляторно! батаре! або швидкiстю руху автомобiля. У результат зводиться до мiнiмуму втрата кшетично! енергп, що, замiсть розсдавання в простiр на гальмiвних колодках, перетворюеться в електричну енергiю.

Тому при розробщ схемних рiшень шдключення вентильних двигунiв для привода автотранспортних засобiв треба врахувати, що вони повинш також працювати в генераторному режимi для здiйснення рекуперативного гальмування. За попередшми оцiнками тiльки на цьому можна заощадити до 10 % палива у мюькому цикл руху.

Схема живлення вентильних машин

Для живлення вентильних машин використовуеться перетворювач напруги (см. рис. 1). В цьому випадку вш представляе собою iнвертор, який перетворюе постшну напругу в трифазну змшну напругу, та

^^e^op, який пepeтвopюe тpифaзнy змiннy натугу в пocтiйнy нaпpyгy.

Cxeмa eлeктpичнa пpинципoвa

пepeтвopювaчa нaпpyги, який здшотюе живлeння вeнтильнoгo двигyнa та reœpaTOpa, нaвeдeнa на pиc. З. вiдмiтити, щo цe oбepнeнi eлeктpичнi машини i ця cxeмa пepeтвopювaчa нaпpyги здiйcнюe poбoтy eлeктpичниx машин як в peжимi двигyнa, так i в peжимi гeнepaтopa.

У peжимi peкyпepaтивнoгo гaльмyвaння вeнтильнa машина ^ацюе в гeнepaтopнoмy peжимi. ^и цьoмy пepeтвopювaч нaпpyги, за дoпoмoгoю випpямляючиx дioдiв (VD 1... VD 6, VD 7...VD 12), пepeтвopюe тpифaзнy змiннy нaпpyгy eлeктpичнoгo reœpaTOpa в пocтiйнy нaпpyгy, яка викopиcтoвyeтьcя для зapядy виcoкoвoльтнoï aкyмyлятopнoï бaтapeï.

Риc. З. Cxeмa eлeктpичнa ^инцигова пepeтвopювaчa нaпpyги

У кoжнoмy плeчi мocтa iнвepтopa, щo живить вeнтильний двигун a6o гeнepaтop, вcтaнoвлeнi cилoвi IGBT-тpaнзиcтopи (VT 1...VT 6, VT 7.VT 12). Рoбoтoю cилoвиx тpaнзиcтopiв yпpaвляe cиcтeмa кepyвaння.

Тотема кepyвaння пpиймae з дaтчикiв даш, нeoбxiднi для кepyвaння eлeктpичними машинами, таю, нанимал, як нeoбxiднe знaчeння швидкocтi oбepтaння. Kpiм тoгo, cиcтeмa кepyвaння пocтiйнo cпocтepiгae за piвнeм зapядки виcoкoвoльтнoï

aкyмyлятopнoï бaтapeï, за ïï тeмпepaтypoю, за тeмпepaтypoю oxoлoджyючoï piдини cиcтeми oxoлoджyвaння eлeктpичниx cилoвиx пpиcтpoïв та за

вeличинoю eлeктpичнoгo нaвaнтaжeння. Якщo будь-який з пepepaxoвaниx пapaмeтpiв нe вiдпoвiдaтимe вcтaнoвлeним вимoгaм, тo cиcтeмa кepyвaння вiддae томанду на зaпycк двигуна внyтpiшньoгo згopяння, щoб пpивecти дo pyxy eлeктpичний гeнepaтop з мeтoю зapядy виcoкoвoльтнoï aкyмyлятopнoï бa-тapeï.

Cиcтeмa кepyвaння вимикае двигун внyтpiшньoгo згopяння на xoлocтoмy xoдy, а тaкoж, кoли ДВЗ знaxoдитьcя в зoнi виcoкиx питомих витpaт палива, викopиcтoвyючи для pyxy тяговий eлeктpичний двигун. Koли у^ви для poбoти двигуна внyтpiшньoгo згopяння cпpиятливi (низька питoмa витpaтa палива), oбepтoвий мoмeнт двигуна внyтpiшньoгo згopяння викopиcтoвyетьcя для pyxy aвтoмoбiля, для пpивoдy eлeктpичнoгo гeнepaтopa. Таким чивдм, cиcтeмa кepyвaння мiняе пoеднaння i на^ям oбepтoвиx мoмeнтiв ycepeдинi пepeдaч,

дocягaючи виcoкoï пaливнoï eкoнoмнocтi, а, oтжe, i виcoкoï eкoлoгiчнoï чиcтoти.

Висновки

Зaпpoпoнoвaнa cиcтeмa живлeння вeнтильниx eлeктpичниx машин зaбeзпeчyе eфeктивнy poбoтy на виcoкиx oбopoтax та з витоким oбepтoвим мoмeнтoм як у peжимi двигуна, так i в peжимi гeнepaтopa. Пiдвищeння eкoлoгiчнoï чиcтoти

тpaнcпopтнoгo зacoбy дocягaетьcя за paxyнoк oптимiзaцiï пpoцecy peкyпepaцiï e^prii' та знижeння витpaти палива за paxyнoк зacтocyвaння вeнтильниx машин.

Лггература

1. Cмиpнoв О.П., Калмытов В.И. Обocнoвaниe иcпoльзoвaния вeнтильныx элeктpичecкиx машин в гибpидныx cилoвыx ycтaнoвкax aвтoмoбилeй II Автoмoбильный тpaнcпopт I C6. научн. i^p. - Хapькoв: ХНАДУ. - 2007. -Вып. № 21. - C. З1 - ЗЗ.

2. Розанов Ю.К., Соколова Е.М. Электронные

устройства электромеханических систем. -М.: Academa, 2004. - 270 с.

3. Смирнов О.П., Калмыков В.И. и др. Исследование функциональных возможностей вентильных машин в электроприводе автомобилей. // Вют1 Автомоб1льно-дорожнього шституту: Науково-виробничий зб1рник. - Горл1вка: АД1 ДВНЗ «ДонНТУ». - 2007. - № 1(4). - С. 129 - 132.

4. Смирнов О.П., Калмиков В.1. Характерш режими пбридно! енергетично! установки автомобшя // Автомобильный транспорт / Сб. научн. тр. - Харьков: ХНАДУ. - 2006. -Вып. 18. - С. 13 - 15.

Рецензент: О.П. Але^ев, професор, д. т. н.,

ХНАДУ.

Стаття надшшла до редакци 6 лютого 2008 р.