Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современных систем генерирования и запуска ДВС автомобилей. задачи и методы исследования 16
1.1. Тенденции развития автомобилей и их электромеханических устройств 16
1.2. Редукторные асинхронные автомобильные стартер-генераторы 24
1.3. Безредукторные стартер-генераторы 30
1.4. Новые технические решения, разработанные с участием автора 42
1.5. Микропроцессорные системы управления электромеханическими преобразователями автомобилей 47
1.6. Методы исследования автомобильных стартер-генераторов 60
Выводы 64
2. Исследование установившихся режимов редукторных автомобильных асинхронных стартер-генераторов (АСТГ) 66
2.1. Особенности конструкций, режимов работы и математического моделирования редукторных вариантов АСТГ 66
2.2. Математическая модель АСТГ для расчета квазиустановившихся режимов 70
2.3. Математическая модель АСТГ, основанная на методе полезной составляющей 83
2.4. Моделирование установившихся процессов на компьютере 87
Выводы 123
3. Исследование динамических режимов редукторных асинхронных АСТГ 124
3.1. Динамика частотного пуска редукторных АСТГ 12 5
3.2. Переходные процессы в генераторном режиме 127
3.3 Синтез систем регулирования редукторных АСТГ 129
3.4. Математическая модель для исследования динамических режимов редукторных АСТГ 138
3.5. Пакет прикладных программ для анализа динамики АСТГ 146
3.6. Результаты расчета динамических режимов асинхронных редуктор-ных АСТГ с аккумуляторными батареями (АБ) 24 и 48В 150
3.7. Динамические режимы асинхронного редукторного стартер-генератора АСТГ -12 160
Выводы 167
4. Проектирование и исследование безредукторных автомобильных асинхронных стартер- генераторов (БАСТГ) 168
4.1.Выбор типоразмера базового двигателя и определение параметров машины БАСТГ 169
4.2. Моделирование статических режимов работы БАСТГ 181
4.3. Моделирование динамических режимов работы БАСТГ 193
4.4. Проверка корректности математической модели и ее параметров при моделировании макетного образца БАСТГ 199
4.5. Моделирование динамических режимов работы БАСТГ с учетом неравномерности вращения коленчатого вала ДВС 201
4.6. Моделирование динамических режимов работы БАСТГ при регулировании напряжения статора асинхронной машины (AM) 210
4.7. Моделирование процессов пуска ДВС от макетного образца БАСТГ при пониженных напряжениях АБ 213
Выводы 220
5. Вентильные стартер - генераторы постоянного тока для автомобилей 221
5.1 Электромеханические системы автомобилей с бесколлекторными вентильными машинами постоянного тока 221
5.2. Математическая модель АСТГ на базе синхронной машины 224
5.2.1. Уравнения математической модели и параметры АСТГ в квазиу-становившемся режиме работы 224
5.2.2. Уравнения математической модели АСТГ при синусоидальном законе распределения индукции вдоль зазора и бесконечно малом интервале коммутации 233
5.2.3 ЭДС обмотки якоря АСТГ при гармоническом законе изменения индукции в зазоре 239
5.3. Анализ эффективности электромеханического преобразования в вентильном стартер-генераторе постоянного тока и способы ее повышения ч 245
5.4. Основные рекомендации и особенности инженерной методики проектирования АСТГ на базе вентильной машины с постоянными магнитами 257
5.5 Сравнительный анализ различных вариантов бесконтактных вентильных АСТГ постоянного тока 278
Выводы 290
6. Микропроцессорное управление электромеханическими преобразователями автомобилей 292
6.1. Структурные схемы управления электромеханическими преобразователями 292
6.2. Структура периферийных устройств микроконтроллера C164CI необходимых для формирования ШИМ сигналов 301
6.3. Формирование основных видов ШИМ сигналов для управления стартер-генераторами. 314
6.4. Микропроцессорное управление автомобильными стартер-генераторами. 328
6.5.Автоматизация исследований автомобильного стартер генератора.333
Выводы 344
Заключение 345
Список использованных источников 348
Приложения 368
- Микропроцессорные системы управления электромеханическими преобразователями автомобилей
- Математическая модель АСТГ, основанная на методе полезной составляющей
- Математическая модель для исследования динамических режимов редукторных АСТГ
- Проверка корректности математической модели и ее параметров при моделировании макетного образца БАСТГ
Введение к работе
В настоящее время в нашей стране и за рубежом большое внимание уделяется совершенствованию электромеханических систем автомобильного транспорта. Важнейшими из этих систем, по влиянию на надежность весогабаритные показатели и стоимость всего автомобиля, являются электромеханические системы запуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и генерирования электроэнергии при отборе мощности с вала ДВС.
Увеличить надежность, снизить весогабаритные показатели и стоимость автомобиля позволяют редукторные стартер-генераторы. Это достигается за счет замены двух электрических машин, стартера и генератора, одной - стартер-генератором, а также повышения, за счет редуктора, частоты вращения этой машины.
В настоящее время в мире также сложилась тенденция к увеличению числа и мощности потребителей в современных автомобилях. Связано это с растущими требованиями к экологии, комфорту и безопасности автомобиля, предъявляемыми современными покупателями. Но это приводит к тому, что уже сегодня требуются генераторы с мощностью более 6 кВт.
Одним из путей решения данной проблемы является появление гибридных автомобилей с комбинированной силовой установкой (КСУ), включающей ДВС и безредукторный стартер-генератор, монтируемый в зоне коленчатого вала ДВС, что наряду с требуемой мощностью электрического генератора также обеспечивает интеграцию двух отдельных комплектующих автомобиля - стартера и генератора. Это дает возможность повысить надежность и безопасность автомобиля за счет меньшего числа составляющих его элементов и сохранения работоспособности при отказе электрической машины или ДВС. Особенно важным аспектом является вопрос экологии. Увеличение мощности стартер-генератора в КСУ позволяет снизить токсичные выбросы в атмосферу за счет трогания автомобиля на электрической тяге и обеспечения оптимального режима работы ДВС, Также возможен режим рекуперативного торможения. Значительно уменьшается шум при пуске.
Наиболее полно требованиям технологичности, бесконтактности, надежности при значительных частотах вращения вала отвечают синхронная машина (СМ) с постоянными магнитами и асинхронная машина (AM) с короткозамкнутым ротором. Они наиболее проста по конструкции из всех электромеханических преобразователей энергии, а асинхронная машина имеет минимальную стоимость.
Таким образом, для автомобильного транспорта необходима разработка специальных электромеханических систем с электрическими машинами, создающими значительные моменты в пусковых режимах, а также позволяющими вырабатывать электроэнергию в широком диапазоне частот вращения вала ДВС в генераторных режимах.
Можно отметить следующие результаты выполненных ранее работ по рассматриваемой тематике.
1. Разработано значительное число схемных и конструктивных решений систем запуска и генерирования электроэнергии с AM и СМ.
2. Созданы разнообразные методы расчета как статических, так и динамических режимов AM и СМ, работающих в режиме запуска первичных двигателей и режиме генерирования электроэнергии при переменной частоте вращения вала.
3. За рубежом разработаны редукторные и безредукторные автомобильные стартер-генераторы с AM и СМ, установленные на автомобили. Основополагающими в области разработки, исследования и проектирования электромеханических систем автомобилей являются труды: BJB. Апсита, Б.М. Айзенштейна, В.А. Балагурова, Ф.Ф. Галтеева, СВ. Акимова, СВ., Банникова, Ю.И. Боровских, А.И. Важнова, Ю.М.Галкина, Ю.И. Квайта, Ю.А. Купеева И.И. Трещева, Ю.П. Чижкова, Г.И. Штурмана, В.Е. Ютта.
В настоящее время в России назрела необходимость создания новых перспективных электромеханических установок автомобилей на базе вентильно-машинных комплексов, содержащих электрические машины, вентильные преобразователи, микропроцессорные информационно-управляющие системы.
В этой области автор опирался на работы : А.А. Афанасьева, А.К. Аракеляна, А.И.Бертинова, В.Я. Беспалова, Д.А. Бута, Т.А.Глазенко, А.Е. Загорского, Л.Я. Зиннера, И.П. Копылова, М.Л. Костырева, Ю.П. Коськина, В.А. Лесника, А.И. Лищенко, В.К. Лозенко, Н.И Лебедева, Ш.И. Лутидзе, В.П. Миловзорова, И.Е. Овчинникова, Г.Б. Онищенко, Ф.Н. А.С. Сандлера, Сарапулова, Б.В. Сидельникова, А.И. Скороспешкина, Н.Д. Торопцева, Ю.Г. Шакаряна, Р.Т. Шрейнера.
Однако, многие вопросы в области использования AM и СМ в электромеханических системах запуска и генерирования электроэнергии автомобилей остались нерешенными. В частности, не исследованы установившиеся и динамические режимы редукторных вариантов стартер-генераторов для отечественных автомобилей, а также установившиеся и переходные процессы в безредукторных системах с повышенным напряжением. Нет детальных исследований автомобильных систем запуска и генерирования электроэнергии с микропроцессорным управлением.
Микропроцессорные системы управления электромеханическими преобразователями автомобилей
Математическая модель АСТГ, основанная на методе полезной составляющей Метод полезной составляющей, широко используемый для расчета характеристик AM с частотным управлением, позволяет перейти к более простому и быстрому символическому методу расчета. Он оперирует с действующим значением токов и напряжений. Простота уравнений математической модели АСТГ облегчает расчет требуемых характеристик и переменных AM.
В этой модели ступенчатая форма выходного напряжения инвертора, питающего статорную обмотку AM, заменяется первой гармонической составляющей этого напряжения.
Параметры трехфазной AM в уравнениях (2.51) и Т-образной схемы замещения соответствуют номинальной частоте тока и могут быть определены расчетным путем при проектировании машины или найдены из опытов холостого хода и короткого замыкания.
При частотном управлении AM необходимо перейти от Т-образной схемы замещения, соответствующей номинальной частоте, к схеме замещения, соответствующей регулируемой частоте и величине питающего напряжения (рис. 2.2 а). На представленной схеме введены ставшие уже общепринятыми обозначения: относительная частота тока статора -отношение частоты тока статора к ее номинальному значению:
В качестве базовой AM стартер-генератора выбрана машина ДАТ62671, имеющая следующие данные: номинальное фазное напряжение 200 В, частота напряжения сети 400 Гц, номинальный фазый ток 3,3 А, номинальный момент 0,646 Нм, номинальная частота вращения 11500 об/мин, масса 4,1 кг.
В соответствии с заданной номинальной, частотой вращения AM -9375 об/мин, обусловленной общим передаточным числом (i = 75) ременной и планетарной передач, и заданным напряжением питания, обусловленным напряжением аккумуляторной батареи (12 В), был проведен расчет новой обмотки статора AM.
По расчетным данным изготовлена низковольтная обмотка статора. Для AM с этой обмоткой проведены опыты холостого хода, короткого замыкания и из них определены новые параметры машины на частоте 50 Гц. Они могут быть пересчитаны на любую другую частоту. Определение максимальных токов и моментов проводилось с помощью пакета прикладных программ расчета динамических режимов АСТГ. На данном этапе определена возможность получения требуемого пускового момента (2,52 Нм) при ограничении максимумов фазных токов асинхронной машины при пуске на уровне 400 А.
Аккумуляторная батарея моделировалась источником регулируемой ЭДС с внутренним сопротивлением 0,0015 Ом. Транзисторные модули вентильного преобразователя моделировались чключевыми элементами с активным внутренним сопротивлением, в проводящем состоянии равным 0,003 Ом.
Параметры электрической машины определялись экспериментально. Кривая намагничивания вводилась в файл исходных данных в виде таблицы ЭДС фазы статора асинхронной машины и токов намагничивания фазы для базовой частоты 300 Гц. ЭДС и токи этой таблицы соответствуют экспериментальным данным, определенным при испытании асинхронной машины типа ДАТ 62671 с новой низковольтной статорной обмоткой. Приведенные расчеты, позволяют сделать вывод о возможности запуска АСТГ даже при значительно разряженной аккумуляторной батарее.
Для экспериментальной проверки теоретических выводов и расчетов была сконструирована, собрана и испытана установка с опытным образцом АСТГ-12, включающим специально сконструированный редуктор, AM (данные приведены в начале раздела) и вентильный преобразователь с системой управления (описан в главе 5). Редуктор был состыкован с валом ДВС автомобиля ВАЗ 2109 и валом AM стартер-генератора.
Экспериментальные исследования показали, что время запуска ДВС автомобиля ВАЗ 2109, использованного в опытной установке, от описанного опытного образца АСТГ-12 до установившейся частоты вращения составляло 0,3-0,5 секунд при запуске ДВС без компрессии в цилиндрах и 0,5-0,8 секунд - при запуске ДВС с компрессией. Полученные данные хорошо согласуются с расчетом. В генераторном режиме наблюдалась устойчивая работа АСТГ-12 как на холостом ходу , так и при заряде АБ. Недостатки в работе опытной установки при переходе АСТГ-12 в генераторный режим были устранены внесением изменений в конструкцию планетарного редуктора.
Математическая модель АСТГ, основанная на методе полезной составляющей
Как уже говорилось выше, системе управления стартер-генератором необходимо решать три главных проблемы: управление асинхронной машиной в режиме стартера, определение момента запуска двигателя для перевода машины в генераторный режим и управление машиной в генераторном режиме. Каждая из приведенных задач имеет свои особенности, поэтому рассмотрим их отдельно.
В стартерном режиме по данным главной задачей электромеханической системы является как можно более быстрый разгон коленчатого вала до скорости запуска ДВС. Указанное требование обусловлено тем фактом, что на ползучей скорости эффективность работы подшипников скольжения низка. Следовательно, на таких скоростях момент сопротивления повышен, что приводит к необоснованному расходу энергии аккумулятора. Для обеспечения указанного требования, электрическая машина должна развивать максимально возможный для нее момент вращения в течение всего времени разгона, обеспечивая максимальное ускорение. Решение указанной проблемы можно осуществить синтезом системы, которая состоит из двух контуров регулирования.
В этом случае для реализации первого контура регулирования достаточно использовать моделирование асинхронной машины по средним значениям момента. Рассматриваемый подход позволяет сильно упростить процесс управления, так как в этом случае нет необходимости решать систему уравнений электрического равновесия в реальном масштабе времени, достаточно использовать некоторую табличную функцию pW(n), полученную предварительно. Определение указанной функции в аналитическом виде невозможно. Однако, используя численное решение системы уравнений электрического равновесия асинхронной машины, для каждой заданной п можно получить такую соответствующую ей величину р\ что средняя величина момента Мср-»Мср.макс при Ia-»Imax, где Мср.макс амплитуда тока статора AM, Imax - максимально допустимое значение тока статора (ограничивается ключами преобразователя). Структурная схема стартерного режима, учитывающая рассмотренные особенности приведена на рис.6.16.
Определение момента запуска двигателя можно осуществлять, контролируя два параметра: скорость вращения и ток статора AM. Задача определения усложняется тем, что коэффициенты редукции скорости вращения в режимах стартера и генератора различны, вследствие чего при переходе в генераторный режим переключается редуктор, и скорость вращения AM снижается. Так как переключение редуктора можно осуществлять двумя путями: редуктор переключается самостоятельно и переключение осуществляется по команде системы управления, то и определение момента запуска ДВС необходимо осуществлять в соответствии с типом редуктора. Рассмотренные идеи были использованы при разработке комплекса программ управления автомобильным стартер-генератором. При разработке программ учитывалось, что требуемые системой управления периферийные устройства в микроконтроллере C164CI-8EM достаточно автономны и практически не требуют затрат процессорного времени на свое обслуживание. Поэтому основная программа осуществляет только расчеты требуемого воздействия и определяет логику управления. Сигналы, величины которых определяются датчиками напряжения, тока и скорости вращения, обрабатываются программами, использующими механизм прерываний микроконтроллера, а запись информации в ячейки памяти осуществляется использованием встроенного контроллера внешних событий. необходимых констант и начальных значений. Инициализируются АЦП, ШИМ генератор, устройства захвата-сравнения и контроллер внешних событий. Настраивается система прерываний. После поступления внешнего сигнала разрешения осуществляется переход на основную программу, которая состоит из двух частей: обработки режимов стартера и генератора. Переключение между режимами осуществляется использованием флага режима. Завершается работа программы при невозможности работы асинхронной машины в режиме генератора, вследствие низкой скорости вращения.
Для реализации управления стартер-генератором на основе синхронной машины в микроконтроллере имеется встроенный блок в составе периферийного модуля САРСОМ6. При инициализации микроконтроллера данный блок следует настроить в мультиканальный режим, а на выводы
Математическая модель для исследования динамических режимов редукторных АСТГ
Основными задачами исследования динамических режимов АСТГ, как показано в предыдущих разделах, являются: уточненное определение токов, напряжений и моментов АСТГ при протекании электромагнитных переходных процессов в интервал наибольшей загрузки вентильных элементов, а также определение динамики разгона ДВС при стартерном запуске.
При решении первой задачи целесообразно применить метод мгновенных значений с возможно более точным учетом всех элементов преобразования электроэнергии. Для решения второй, также желательно учесть дискретные составляющие воздействий, что позволит повысить точность расчета электромеханических переходных процессов.
Возможен расчет переходных процессов в АСТГ по уравнениям AM в неподвижных относительно статора осях координат, использованных в главе 2 для расчета квазиустановившихся процессов. При широтном регулировании напряжения статора асинхронной машины удобно записывать уравнения АСТГ в координатах, вращающихся с частотой поля AM. Уравнения электрического равновесия машины в этих осях запишем в форме:
При рассмотрении квазиустановившихся процессов автономный инвертор напряжения (АИН) обычно описывают как источник идеальных ступенчатых фазных напряжений /86/. Внутреннее сопротивление АИН и сопротивление аккумуляторов не учитывается. Емкость фильтра в звене постоянного тока считается бесконечной. Эти факторы необходимо учесть при низких напряжениях аккумуляторов и значительных токах в элементах инвертора АСТГ.
Эквивалентная схема цепи постоянного тока АСТГ с учетом указанных факторов, а также учитывающая потери в стали AM и потери на коммутацию в вентилях АИН, приведена на рис. Уравнения цепи постоянного тока АСТГ, соответствующие этой эквивалентной схеме, запишутся:
Внутренне сопротивление АИН (Rj) определяется по внешне характеристике преобразователя. Эквивалентное сопротивление Rr учитывает потери на коммутацию в преобразователе и потери в стали AM. А -аккумуляторной батарее; Н - индекс, относящийся к нагрузке постоянного тока. Связь между переменными на входе и выходе инвертора осуществляется через передаточную функцию АИН. При анализ переходных процессов, с использованием метода полезной составляющей АИН представляет собой безинерционное звено с коэффициентом передачи зависящим от способа формирования напряжений фаз AM. Так, пру широтном регулировании, которое применяется в АСТГ, связь межд) напряжениями постоянного и переменного тока можно описать следующими уравнениями где Ки - коэффициент передачи АИН без регулирования ШИР; у - скважность при широтно-импульсном регулировании напряжения статора AM. Связь между токами на входе и выходе инвертора напряжения, в соответствии с балансом мощностей, запишется: Ток статора по оси V, при рассмотрении только полезных составляющих переменных, не влияет на процессы в звене постоянного тока АСТГ и является реактивной составляющей тока AM. При моделировании процессов в АСТГ по методу мгновенных значений, АИН является звеном с импульсной передаточной функцией. Для удобства координатных преобразований можно записать эту функцию в виде так называемых коммутационных функций дискретного аргумента /84/. В этом случае напряжение постоянного тока АСТГ и составляющие напряжения статора AM по выбранным осям координат связаны, если не применяется широтное регулирование, следующим матричным уравнением
Проверка корректности математической модели и ее параметров при моделировании макетного образца БАСТГ
В процессе проверки были экспериментально определены данные при холостом ходе и коротком замыкании AM макетного образца БАСТГ, описанного в разделе 4.1.7, которые приведены в таблице 4.1,4.2. Эксперименты проводились при работе AM от вентильного преобразователя типа «автономный инвертор напряжения». Зададим в компьютерном эксперименте ту же величину напряжения на входе преобразователя, что и в экспериментальном опыте короткого замыкания AM макетного образца БАСТГ. Математическая модель динамических режимов БАСТГ учитывает дискретность работы вентильного преобразователя с помощью коммутационных функций в виде тригонометрических функций дискретного аргумента (см. главу 3), Параметры обмоток AM, использованные в-файле входных данных программы расчета, определены по методике раздела На Рис. 4.15 представлены расчетные осциллограммы фазных напряжений и тока AM (Рис. 4.15 а), напряжения и тока на входе вентильного преобразователя (Рис. 4.15 б). Моделировался процесс включения вентильного преобразователя при неподвижном роторе AM. Установившееся среднее значение тока на входе преобразователя близко к 40 А, при установившемся среднем значении входного напряжения - 36 В. Режим короткого замыкания AM БАСТГ Амплитуда первой гармонической составляющей фазного тока AM составляет около 83 А, а амплитуда первой гармонической составляющей фазного напряжения AM - около 24 В. Если определить по данным эксперимента (табл. 4.1) амплитуды фазных тока и напряжения AM, при опыте короткого замыкания, они составят -амплитуда напряжения 25,2 В, а амплитуда тока 82 А. При этом считаем фазные токи и напряжения синусоидальными. Отличие экспериментальных данных от данных, полученных в ходе компьютерного эксперимента, можно объяснить тем, что приборы измеряют действующие значения несинусоидальных тока и напряжения фазы AM, которые отличаются от действующих значений синусоидальных величин. После сравнения расчетных и экспериментальных данных можно сделать вывод о корректности расчетной модели, используемой в компьютерном эксперименте и правильности расчета параметров AM. 4.5. Моделирование динамических режимов работы БАСТГ с учетом неравномерности вращения коленчатого вала ДВС В предыдущем разделе 4.3 рассмотрены динамические режимы работы БАСТГ - 48 и БАСТГ - 144 при постоянном моменте на валу ДВС, что соответствует прокрутке ДВС без компрессии в цилиндрах. В рабочем состоянии ДВС наблюдаются неравномерности (пульсации) частоты вращения вала как при его запуске, так и при вращении колес автомобиля. Это обусловлено тормозными моментами, связанными со сжатием газа в цилиндрах ДВС.
Чем больше момент инерции системы «стартер - ДВС», тем меньше пульсации частоты вращения, тем легче проходит ДВС при запуске через верхнюю «мертвую» точку. Момент инерции в системах с обычными стартерами постоянного тока достигают 1 кг м . Это приводит к тому, что пусковая частота вращения в таких системах составляет 100 - 200 мин"1, а сопровождение стартером работающего ДВС до 150 - 200 мин"1. При прямом пуске ДВС от БАСТГ, когда стартер-генератор установлен непосредственно на коленчатом валу, момент инерции системы уменьшается в 4-5 раз. Поэтому для прохождения «мертвой» точки необходима емкость аккумуляторной батареи эквивалентная мощности до 10 кВт и более. Рассмотрим динамический режим запуска на математической модели, соответствующей экспериментальной установке с 1,5 литровым 4-х цилиндровым ДВС автомобиля ВАЗ-2109, при учете неравномерности вращения коленчатого вала В начале запуска, когда система зажигания ДВС не работает, тормозной момент на валу AM, создаваемый ДВС, возрастает с ростом давления в цилиндрах двигателя, а затем резко уменьшается. Такое изменение тормозного момента можно аппроксимировать квадратом гармонической функции угла поворота коленчатого вала ДВС. Эта функция будет повторяться через интервал, зависящий от числа цилиндров ДВС. При моделировании процесса изменения тормозного момента на валу AM введем специальную функцию, зависящую от числа цилиндров ДВС. Она определяет диапазон углов поворота коленчатого вала, в котором происходит плавное нарастание тормозного момента на валу AM. где: Nu - число цилиндров ДВС. Так как изменение тормозного момента, в случае работы БАСТГ с четырехцилиндровым ДВС, будут повторяться через половину оборота коленчатого вала, в качестве такой функции можно использовать следующую гармоническую функцию
Похожие диссертации на Электромеханические стартер-генераторные системы автомобильных транспортных средств (Теория, проектирование, исследование)
