Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технических решений и методов исследования электромеханической части комбинированной энергоустановки 10
1.1. Конструктивные решения электромеханической части гибридных автомобилей 11
1.2. Гибридные автомобили со стартер-генераторами коленвалового типа .. 16
1.3. Выбор математических моделей и методов исследования электромеханической части КЭУ 29
2. Методика проектирования силовой электромеханической части КЭУ 34
2.1. Особенности конструкции асинхронной машины КЭУ 34
2.2. Методика электромагнитного расчета асинхронной машины для КЭУ 43
2.2.1. Методика электромагнитного расчета асинхронной машины для КЭУ на базе серийной AM 43
2.2.2. Методика электромагнитного расчета специальной асинхронной машины для КЭУ 47
2.3. Выбор схем вентильных преобразователей для управления AM КЭУ 61
2.3.1. Выбор преобразователя постоянного тока в переменный 62
2.3.2. Выбор преобразователей уровня постоянного напряжения 69
2.4. Выбор типов накопителей электрической энергии 72
3. Разработка способов и схем управления электромеханической части КЭУ ...87
3.1. Выбор способов управления AM в двигательном и генераторном режимах 88
3.2. Разработка структурной схемы КЭУ в стартерном режиме и режиме поддержки ДВС 98
3.3. Разработка структурной схемы КЭУ в генераторном режиме 102
3.4. Разработка функциональной схемы электромеханической части КЭУ...107
4. Математическая модель и исследование переходных процессов КЭУ с AM 117
4.1. Математическое моделирование силовой части КЭУ 118
4.1.1. Математическая модель AM 119
4.1.2. Математическая модель источников питания 127
4.1.3. Математическая модель вентильного преобразователя КЭУ 129
4.1.4. Математические модели силовой электромеханической части КЭУ 131
4.2. Проверка корректности компьютерного расчета на экспериментальной установке 142
4.3. Моделирование переходных процессов в КЭУ со специальной AM 149
4.3.1. Пакет прикладных программ 149
4.3.2. Результаты моделирования переходных процессов в КЭУ... 155
Заключение 169
Библиографический список 171
Приложения 184
- Гибридные автомобили со стартер-генераторами коленвалового типа
- Методика электромагнитного расчета асинхронной машины для КЭУ
- Разработка структурной схемы КЭУ в стартерном режиме и режиме поддержки ДВС
- Моделирование переходных процессов в КЭУ со специальной AM
Введение к работе
В мировом автомобилестроении в настоящее время наблюдается тенденция интенсивного использования в автомобилях электрических и электронных устройств. Их доля в себестоимости современных автомобилей достигает 15%, а в 2010 году ожидается рост до 35%. Переход от углеводородного топлива к водородному, электрификация и применение электронных систем управления дают возможность снизить массу автомобиля, экономить топливо, повысить экологичность и экономическую эффективность, упростить систему управления, комфортабельность и безопасность транспортных средств. С улучшением этих ключевых потребительских свойств, конкурентоспособность транспортных средств повышается, а у производителя появляется возможность завоевания новых рынков сбыта.
Для современного автомобиля характерна тенденция объединения функциональных систем. Развитие электроники, а также рост требуемой от генератора мощности позволяет объединить совместно элементы системы пуска и электроснабжения в едином устройстве - стартер-генераторе. Это электрическая машина (ЭМ), при пуске работающая электродвигателем, а в нормальном рабочем режиме - генератором.
Такое совмещение позволяет отказаться от ряда устройств, устанавливаемых обычно на двигателе автомобиля (маховика, механизма привода стартера и т.д.), а также расширить функции, выполняемые обычно генератором и стартером. Например, совместно с тормозной системой осуществлять торможение автомобиля с рекуперацией энергии в емкостной накопитель энергии (ЕНЭ), совместно с ЕНЭ служить демпфером при работе двигателя, работать в режиме «стоп-старт» (при остановке автомобиля выключать двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и осуществлять бесшумный и быстрый новый пуск). Наконец, в определенных ситуациях возможно движение автомобиля на электрической тяге за счет энергии ЭМ.
Повышенная мощность ЭМ в генераторном режиме позволяет электрифицировать рулевое управление, механизм газораспределения, насос в системе охлаждения и т.п., однако большие токовые нагрузки и падение напряжения в вентильных преобразователях требуют перехода на повышенное напряжение.
Проблема топливной экономичности, снижения вредного воздействия автомобиля на окружающую среду успешно может быть решена при использовании в их конструкции комбинированных (гибридных) электромеханических силовых установок.
Автомобилестроение России развивается по пути ведущих мировых производителей автомобилей: совершенствует конструкции автомобилей с классической схемой привода: ДВС - сцепление - коробка передач -карданные валы - главная передача - привод колес.
Достичь превосходства над конкурентами, повторяя их путь развития, проблематично, требуются такие решения, которые дали бы возможность подняться по конкурентоспособности выпускаемой продукции до их уровня. Одно из них - это путь наименьших затрат, когда гибридные автомобили разрабатываются на базе уже созданных и массово выпускаемых автомобилей.
Основополагающими в области разработки, исследования и проектирования электромеханических систем автомобилей являются труды: В.В. 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 данной работе рассматривается комбинированная энергетическая установка (КЭУ) со специальной асинхронной машиной, которая может быть установлена на отечественный автомобиль типа ВАЗ без существенных преобразований в конструкции автомобиля. Под КЭУ в данной работе подразумевается так называемый «неполный» или «мягкий» гибрид, т.к.
небольшая мощность ЭМ (около 5-ти кВт), а также жесткая связь между валом электрической машины и валом ДВС ограничивают функциональные возможности такой достаточно простой гибридной установки.
Использование в конструкции автомобилей комбинированных энергетических установок даёт следующие преимущества:
повышаются динамические характеристики автомобиля; снижается снаряженная масса автомобиля, следовательно, возрастает грузоподъёмность;
повышается топливная экономичность автомобиля на 10-30%; повышается экологичность автомобиля; автомобиль с гибридным приводом имеет хорошую тягово-скоростную характеристику.
При написании диссертационной работы автор опирался на работы Д.А.Бута, А.Е.Загорского, Л.Я.Зиннера, М.Л.Костырева, Н.Г.Никияна, А.А.Северина, А.И.Скороспешкина, Н.Д.Торопцева, Р.Т.Шрейнера.
Целью работы является усовершенствование конструкции КЭУ для установки ее на отечественный автомобиль типа ВАЗ без существенных изменений в его компоновке, а также повышение эффективности ее работы в статических и динамических режимах.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие теоретические и экспериментальные задачи:
Провести критический анализ известных технических решений в области создания гибридных автомобилей со стартер-генераторами коленвалового типа и с редуктором.
Разработать функциональную схему электромеханической части комбинированной энергоустановки.
Разработать методику электромагнитного расчета и рассчитать специальную асинхронную машину КЭУ.
Построить математические модели силовой электромеханической части КЭУ.
Исследовать переходные процессы в КЭУ со специальной AM методом компьютерного эксперимента.
Проверить корректность компьютерного расчета на экспериментальной установке.
Научная новизна работы представлена теоретическими и экспериментальными исследованиями в следующих рассмотренных и решенных задачах.
Разработаны математические модели предложенной автором КЭУ коленвалового типа для расчета динамических режимов с учетом изменяющихся параметров асинхронной машины (AM) и емкостного накопителя энергии и регулирования напряжения статора AM.
Получены энергетические характеристики асинхронной машины КЭУ при частотном управлении, показывающие, что такая AM обеспечивает требуемые пусковые моменты в стартерном режиме и электроснабжение потребителей в заданном диапазоне частот вращения вала ДВС в генераторном режиме.
Исследованы динамические режимы работы КЭУ с учетом нелинейности параметров AM и изменения тормозного момента коленчатого вала ДВС.
Разработана методика проектирования, учитывающая особенности выполнения ротора, конструкции лобовых частей обмотки статора, магнитопровода AM.
Практическая ценность работы состоит:
в создании пакета прикладных программ для проектирования специальной AM;
в создании пакета прикладных программ для исследований переходных и установившихся процессов в электромеханической части КЭУ.
Основные положения, выносимые на защиту: 1. Математические модели электромеханической части КЭУ,
учитывающие особенности конструкции обмотки статора, насыщение
магнитной цепи машины, подключение ее обмотки статора к источникам электропитания через вентильные преобразователи со ступенчатой формой фазного напряжения, широтно-импульсное регулирование напряжения статора AM, зависимость момента ДВС от положения коленчатого вала;
Конструкция асинхронной машины комбинированной энергоустановки автомобиля со специальными лобовыми частями обмотки статора, позволяющими установить такую AM в картер сцепления автомобиля типа ВАЗ без существенных изменений в компоновке узлов автомобиля, а также схемное решение электромеханической части такой установки, получившие патентную защиту в Российской Федерации;
Результаты исследований динамических режимов работы комбинированной энергоустановки с асинхронной машиной, разработанной автором конструкции, показавшие, что такая КЭУ обеспечивает гарантированный запуск ДВС, работу AM в режиме поддержки и в режиме заряда ЕНЭ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Международных научно-технических конференциях «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» г.Москва, 2003 г., 2004 г.; «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы», г.Томск, 2003 г.; «Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин», г.Самара, 2003 г.; «Электроприводы переменного тока», г.Екатеринбург, 2005 г.; «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XII Бенардосовские чтения), г.Иваново, 2005 г..
IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития», г.Магнитогорск, 2004 г.;
пятом международном симпозиуме ЭЛМАШ-2004, г.Москва, 2004 г.; Международном симпозиуме «Электроника и электрооборудование транспорта», г.Суздаль, 2005 г.;.
XI международной конференции по электрическим машинам, электроприводу и энергетическим системам «ELMA 2005», г.София, Болгария, 2005 г..
Всероссийском электротехническом конгрессе ВЭЛК - 2005. г.Москва, 2005 г.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 17 печатных работ.
Реализация работы. Работа выполнена на кафедре «Электротехническое инженерно-педагогическое образование» Самарского государственного технического университета.
Основные научные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы используются в ОАО «АВТОВАЗ», ОАО «АВИААГРЕГАТ», в учебном процессе на кафедре «Электротехнического инженерно-педагогического образования» ГОУВПО СамГТУ.
Структура и объем работы:
Построение работы выполнено в виде объединенных в группы по главам конкретных задач. Большинство разделов построено в форме изложения методов анализа. Они завершаются получением конечной системы уравнений и анализом способа решения. В ряде случаев приводятся результаты расчетов и экспериментов. Все выводы приведены в достаточно подробном виде.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Основная часть работы изложена на 170 страницах текста, иллюстрирована 58 рисунками. Библиографический список содержит 129 наименований.
В первой главе проводится анализ известных технических решений в области создания КЭУ с редукторными и безредукторными стартер-
генераторами. По результатам проведенного анализа сформулированы задачи настоящей работы.
Во второй главе представлена методика электромагнитного расчета силовой электромеханической части КЭУ. Описаны особенности конструкции асинхронной машины КЭУ, по специальной методике рассчитана асинхронная машина КЭУ и определены ее параметры. Выбраны силовые схемы вентильных преобразователей, определены типы накопителей электрической энергии.
Третья глава посвящена выбору способов управления асинхронной машиной при различных режимах работы КЭУ. В результате исследований, проведенных в предыдущих главах, предложено новое техническое решение, разработанное с участием автора.
В четвертой главе разработаны математические модели AM, ВП, и источников электропитания КЭУ. С помощью этих моделей разработана компьютерная программа и исследованы переходные процессы в КЭУ со специальной асинхронной машиной.
В заключении приводятся основные результаты и выводы по работе.
Гибридные автомобили со стартер-генераторами коленвалового типа
Стартер-генераторы коленвалового типа разрабатываются как зарубежными [6], так и российскими фирмами [7, 8].
Фирма Toyota после изготовления в 1997 г гибридного автомобиля Prius первого поколения разработала под тем же названием гибридный второго поколения. Новый Prius — первый в мире автомобиль серийного производства с гибридной силовой установкой, в состав которой входят поршневой 5-ти тактный 1,5-литровый бензиновый двигатель поперечного расположения, мощностью 58 л.с. и 30 киловатный (41 л.с.) электродвигатель, который используется на скоростях до 20 км/час и помогает ДВС при резком наборе скорости.
Гибридная силовая установка обеспечивает автомобилю высокую топливную экономичность (4,5 л/100 км по городскому циклу, 5,2 л/100 км по шоссе) и очень низкий уровень выбросов вредных веществ, обеспечивающий выполнение калифорнийских норм SULEV [9].
На рис. 1.7 показана схема гибридной силовой установки автомобиля Prius. В качестве основного источника мощности использован четырехцилиндровый бензиновый двигатель.
Так как максимальная частота вращения коленчатого вала выбрана относительно небольшой для бензинового двигателя (4500 мин" ), его многие силовые детали уменьшены по размерам (относительно базового двигателя). Так, у коленчатого вала уменьшены диаметры, поршневые кольца изготовлены меньшей высоты. Пружины клапанов имеют более низкую нагрузку по сравнению с пружинами стандартных высокооборотных двигателей, что привело к снижению потерь на трение и, как результат, к повышению экономичности двигателя.
Электродвигатель тяговый, синхронный с возбуждением от постоянных магнитов, развивает максимальную мощность 33 кВт в диапазоне частот вращения от 1040 до 5600 мин" и максимальный крутящий момент 350 Нм в диапазоне частот от 0 до 400 мин"1.
Аккумуляторная батарея никель-металлогидридная, ее максимальная мощность 25 кВт, номинальное напряжение 274 В. Компактный аккумуляторный блок объединяет 38 модулей, каждый из которых содержит шесть плотно скомпонованных батарей прямоугольной формы.
Принятая схема гибридной системы является комбинацией систем, работающих по принципу параллельной или последовательной передачи мощности. Она может работать либо от электродвигателя, либо от поршневого двигателя, либо одновременно от обоих источников энергии. Выбор источника осуществляет электронная система, разработанная фирмой Toyota. Компьютер самостоятельно, в зависимости от условий движения, определяет степень участия каждого из них. Оба (или каждый порознь) вращают через редуктор передние ведущие колеса.
Установленный за двигателем внутреннего сгорания планетарный механизм разделяет поток мощности на две ветви: одна идет к редуктору главной передачи, другая - к генератору переменного тока. Тот заряжает через преобразователь аккумулятор, от которого при необходимости энергия через преобразователь поступает в тяговый электродвигатель.
Доля вырабатываемой мощности каждым из источников энергии определяется в зависимости от нагрузки и частоты вращения с обеспечением на каждом режиме максимальной эффективности.
Управляемая электронной системой трансмиссия определяет сочетание мощностей поршневого двигателя, электродвигателя, генератора и аккумуляторной батареи, которое необходимо для получения требуемого ускорения или замедления автомобиля, при этом обеспечивается непрерывно изменяемое передаточное отношение,
Автомобиль Prius снабжен рекуперирующей тормозной системой, увеличивающей эффективность силовой установки. Если автомобиль идет накатом, электродвигатель переходит на работу в режиме генератора, и энергия торможения, обычно теряемая, преобразуется в электроэнергию, которая направляется на подзарядку батареи. Для повышения компактности механизм разделения и передачи мощности, генератор, электродвигатель и редуктор смонтированы как отдельный трансмиссионный блок.
При создании гибридной силовой установки особое внимание было уделено повышению эффективности установки такого рода на низких частотах вращения. В результате КПД силовой установки, включая электрическую часть, повышен на 19% при скорости 69 км/ч и примерно на 9% при 120 км/ч.
Однако, две электрических машины - генератор и электродвигатель -делают такую установку более сложной, а наличие редуктора снижает надежность установки.
Фирма Ford представила в 2001 г. на выставке в Лос-Анджелесе новый автомобиль Escape с гибридной силовой установкой (рис. 1.8).
Силовая установка автомобиля Escape содержит бензиновый четырехцилиндровый поршневой двигатель рабочим объемом 2,0 л, стартер-генератор, 12- и 42-вольтные батареи и необходимые элементы управления. Установка оснащена электронной системой управления.
Стартер-генератор совмещает электрический тяговый двигатель постоянного тока мощностью 65 кВт и генератор тока напряжением 42В, мощностью 28 кВт. Стартер-генератор установлен непосредственно на коленчатом валу поршневого двигателя и используется для улучшения характеристик силовой установки: при остановках и повторных пусках, при движении автомобиля с малыми скоростями, при подзарядке тяговой батареи, а также при рекуперации энергии торможения. Автомобиль оснащен также блоком управления электрическим оборудованием с напряжением 42 В.
Фирма Sanyo для этого автомобиля разработала и поставила блок мощных тяговых никель-металлогидридных батарей с напряжением 42 В и преобразователь к ним.
Гибридный автомобиль оснащается также и 12-вольтной аккумуляторной батареей размером, сопоставимым с размером аналогичной батареи для мотоцикла. Эта дополнительная 12-вольтная система будет
Методика электромагнитного расчета асинхронной машины для КЭУ
При расчете AM КЭУ на базе серийного электродвигателя необходимо провести определение типоразмера базового двигателя и параметров AM КЭУ для случая заданных диапазонов двигательного режима и режима рекуперативного торможения, пределов изменения мощностей и моментов, с учетом ограничений размеров машины.
Внутренний диаметр статора AM, устанавливаемой в автомобиль, ограничен. Поэтому по справочнику [26] выбирают AM с высотами осей вращения, которые укладываются в заданный размер внутреннего диаметра статора. При частотном запуске AM пусковой момент достигает максимального, соответствующего критическому скольжению. Из выбранных AM подходят те, в которых максимальный момент соответствует требуемому значению.
Наибольшая кратность максимального момента наблюдается у машин с меньшим индуктивным сопротивлением короткого замыкания. По этому критерию, учитывая, что при частотном пуске практически не наблюдается вытеснения тока в обмотке ротора, применяя специальную конструкцию ротора для лучшего охлаждения AM, выбирают базовый электродвигатель с повышенным пусковым моментом.
Из-за особенности установки в автомобиле для AM КЭУ необходимо уменьшить длины сердечников и выполнить новые обмотки статора и ротора.
Определяют расчетную мощность Ррасч (мощность, развиваемую AM в длительном режиме работы двигателем при частоте 50 Гц), учитывая уменьшение длины пакетов стали статора и ротора. Ее можно определить по формуле: где Кп и К?п - коэффициент перегрузки двигателя по мощности при расчетной и максимальной частотах вращения. где UJPACH, UJH - расчетное фазное и номинальное напряжения обмотки статора; /РАСЧ,/Н расчетная и номинальная частота тока статора;
Так как в номинальном режиме AM КЭУ работает без широтного регулирования напряжения статора, номинальное фазное напряжение AM определяют по номинальному напряжению аккумуляторной батареи.
Число эффективных проводников в пазу статора sn проектируемой AM определяют по известному числу этих проводников БПБ базовой асинхронной машины с укороченным пакетом магнитопровода и соотношению между номинальным напряжением UJHE базовой AM и расчетным напряжением UipAC4AM.:
Чтобы сохранить сечение провода обмотки статора выбирают такое же как у базовой машины число реальных проводников в слое. Тогда число реальных проводников в одном эффективном у проектируемой AM: где прс - число реальных проводников в слое у базовой машины. Число витков в фазе: где а} - число параллельных ветвей обмотки статора.
Ротор AM изготавливают из ротора базовой машины, у которого обмотка содержит две короткозамкнутых клетки. Удаляют обмотку ротора, уменьшают длину пакета стали ротора. При напрессовке укороченного пакета ротора на ступицу, делают скос пазов в направлении вращении ротора. Клетку ротора выполняют заливкой алюминием, оставляя высоту и ширину короткозамыкающих колец как у базовой машины.
Зная число витков в фазе статора AM и диаметр провода, конструкцию статора и ротора AM, - рассчитывают активные и индуктивные сопротивления схемы замещения AM.
Асинхронная машина, проектируемая на базе серийной, имеет относительно небольшой внутренний диаметр ротора, а лобовые части соизмеримы с длиной пакета стали AM. Вследствие этого трудно достичь минимальных габаритов AM. Поэтому была поставлена задача проектирования специальной AM с уменьшенными лобовыми частями.
Для расчета максимальной мощности специальной асинхронной машины при ее максимальной частоте вращения можно воспользоваться формулой (2.2) данной методики. Однако для полного расчета такой машины эта методика не может быть использована, т.к. выбирается типовая AM с известным числом пар полюсов, активными и индуктивными сопротивлениями, номинальной частоте вращения, а также с типовой обмоткой статора. Расчетная мощность и пусковой момент изменяются в зависимости от отношения длины пакета магнитопровода рассчитываемой AM к длине пакета магнитопровода серийной AM. При проектировании специальной асинхронной машины эти параметры требуется рассчитывать.
Разработка структурной схемы КЭУ в стартерном режиме и режиме поддержки ДВС
Для ускорения процесса запуска ДВС необходимо изменять частоту тока статора AM так, чтобы поддержать скольжение близкое к критическому, а напряжение на статоре изменять так, чтобы сохранять в процессе пуска постоянство насыщения магнитопровода машины. Т.е. пуск можно проводить с постоянным моментом, а отношение напряжения к частоте необходимо поддерживать примерно постоянным, поэтому при расчете воспользуемся законом частотного регулирования: где Ui - напряжение на статоре; IR - потери в проводах; AU - падение напряжения в вентилях преобразователя;,/} - частота тока статора.
При стабилизации главного магнитного потока двигатель имеет хорошую перегрузочную способность и значительный пусковой момент. Кратковременного увеличения моментов можно достичь форсировкой магнитного потока.
В начальный период пуска ток обмотки статора AM достаточно большой, поэтому следует учесть насыщение зубцов статора от полей рассеяния в этот период.
Суммарный момент инерции AM и ДВС невелик. Поэтому при расчете процесса разгона системы "AM - ДВС" и синтеза системы регулирования КЭУ в стартерном режиме необходим учет переходных составляющих электромагнитных процессов в AM. Необходимо определить ударные токи и моменты, возникающие в начальный период запуска ДВС от AM.
Кроме стартерного режима КЭУ может работать в режиме поддержки ДВС. Т.е., при движении автомобиля в тех случаях, когда мощности ДВС оказывается недостаточно, включается электрическая машина и подкручивает коленчатый вал ДВС. Такая «помощь» в некоторых случаях значительно превышает отдачу самого ДВС - например, при движении автомобиля на подъеме. При этом к механическому моменту автомобиля добавляется динамический момент инерции асинхронной машины, увеличивается суммарный момент инерции автомобиля, скольжение AM не меняется и она не переходит в генераторный режим работы.
Предложенная структурная схема КЭУ для стартерного режима с регулированием напряжения AM и задатчиком пусковой частоты (ЗПЧ) показана на рис.3 Л [78].
Структурная схема учитывает внутреннее сопротивление R-ЕНЭ И постоянную времени ТЕнэ емкостного накопителя энергии ЕНЭ, постояннуювремени фильтра Тф и падения напряжения на вентилях AUBпреобразователя, изменения статического момента Мс ДВС и момент инерции вращающихся масс КЭУ автомобиля J.
Входными сигналами звена AM приняты: фазное напряжение иь частота тока статора сошос и частота вращения ротора со, а выходными электромагнитный момент М и активная составляющая тока статора i\a.
Вентильный преобразователь представлен безынерционным звеном с коэффициентом передачи по напряжению Кпн? по току КПт и по частоте КПч Выход логической схемы ЛС через безынерционное звено (Киї) подключен на устройство сравнения, выход которого через диод и регулятор с передаточной функцией Wp(p) включен на вход широтно-импульсного регулятора (ШИР) вентильного преобразователя ВП.
Асинхронная машина КЭУ запускает ДВС следующим образом. После замыкания ключей SI, S2 и включения ВП, AM начинает работать с оптимальной пусковой частотой, устанавливаемой ЗПЧ. Для создания электромагнитного момента близкого к максимальному при пуске AM необходимо значительное насыщение магнитопровода AM [63].
Поэтому скважность у импульсов ШИР фазного напряжения ВП устанавливается регулятором (Wp(p)) такой, чтобы поддерживался требуемый коэффициент форсировки потока при пусковой частоте.
По мере уменьшения напряжения Ud скважность увеличивается, приUd Uy она равна единице, - ШИР выключается.Когда выходной сигнал функционального преобразователя ФП1 станет меньше выходного сигнала ЗПЧ, или начнет увеличиваться, ЛС подключает ФП1 на вход (Ш) регулирования частоты ВП, - начинается процесс частотного пуска асинхронной машины, интенсивность которого регулируется ШИР.
Т.о., разработана структурная схема для стартерного режима работы КЭУ с частотным пуском и регулированием напряжения AM, учитывающая внутреннее сопротивление емкостного накопителя энергии, падения напряжения на вентилях преобразователя, изменения статического моментадвигателя внутреннего сгорания и момент инерции вращающихся масс КЭУ автомобиля.
После разгона асинхронной машиной двигателя внутреннего сгорания он вступает в работу и начинает вращать вал асинхронной машины с частотой вращения больше синхронной. Установка переходит в генераторный режим работы.
Для того чтобы в генераторном режиме асинхронная машина отдавала требуемую мощность, необходимо, чтобы не насыщалась магнитная цепь. Это достигается постоянством магнитного потока при законе регулирования U/f=const. На низких скоростях вращения при некоторой частоте тока статора можно обеспечить требуемую мощность генератора. Если частота тока статора меняется в небольших пределах, напряжение на шинах преобразователя частоты меняется мало, следовательно, можно поддерживать примерно постоянное напряжение в бортовой сети. На максимальных скоростях вращения нельзя обеспечит требуемую мощность в генераторном режиме из-за снижения магнитного потока. Поэтому при увеличении частоты тока статора необходимо увеличивать напряжение на входе преобразователя частоты.
Моделирование переходных процессов в КЭУ со специальной AM
Предлагаемый пакет прикладных программ, выбранный для расчета динамических процессов в КЭУ, ориентирован на анализ динамики электромеханических вентильных систем, содержащих источники постоянного и переменного тока, вентильные преобразователи, асинхронные машины. Пакет применен для исследования нормальных режимов запуска ДВС от источника ограниченной мощности, анализа режимов работы КЭУ в двигательном и генераторном режимах, а также в режиме рекуперативного торможения.
Моделирование асинхронной машины с короткозамкнутым ротором с учетом насыщения магнитной цепи, вентильных преобразователей и источников электрической энергии проведено по уравнениям, представленным в разделе 4.1 данной работы.
Исследование динамики электрических вентильных систем осложняется необходимостью учета дискретности вентильных преобразователей. В настоящее время разработаны модели для расчета переходных процессов [83, 108, 124] на базе матрично-топологических методов и методов коммутационных функций.
Используемый автором пакет базируется на методе коммутационных функций, представленных в виде тригонометрических функций дискретного аргумента и координатных преобразованиях уравнений электрической машины и коммутационных функций. Такой подход позволяет сократить число дифференциальных уравнений, описывающих систему, а также существенно упростить моделирование переключений вентилей.
В качестве входной используется информация о методе расчета, режиме запуска AM КЭУ, структуре и параметрах электромеханической вентильной системы, а также параметрах расчета. Расчет может вестись методом мгновенных значений или полезной составляющей. Допускаются расчеты режимов запуска с постоянной частотой, заданной интенсивностью нарастания частоты при изменяющемся напряжении АБ, с широтным регулированием фазного напряжения асинхронной машины. Параметры асинхронной машины соответствуют Т-образной схеме замещения и типовой характеристике холостого хода. Параметры асинхронной машины, используемые при моделировании, определены по описанной во второй главе методике.
В исходных данных задают шаг интегрирования, начальное и конечное время расчета, начальные условия и условия вывода информации.
Информация записывается в специальные файлы в виде таблиц, по этим таблицам строятся графики токов, напряжений, моментов и т.д. Последние, при использовании метода мгновенных значений принимают вид расчетных осциллограмм.
Пакет состоит из основной программы и подпрограмм. Схема программы показана на рис.4.9. Уравнение системы формируется в виде: где [А] - матрица коэффициентов уравнений; [X] - вектор токов, напряжений и частот; [Y] - вектор левых частей уравнений.
Моделирование ведется в осях, вращающихся со скоростью вектора первой гармонической составляющей напряжения на статоре асинхронной машины, причем ось U совпадает с направлением этого вектора, а ось V опережает эту ось на 90 градусов.
При расчете мгновенных значений переменных системы коммутационная функция по оси V представляет собой отрезок синусоиды, симметричный относительно середины интервала между включениями управляемых вентилей фаз, что позволяет упростить алгоритм формирования переключения вентилей при ШИР.
В основной программе происходит обработка исходных данных, введенных пользователем: параметры AM и ЕНЭ, коэффициент передачи АИН по напряжению при расчете по методу полезной составляющей, функцию насыщения, время расчета. После этого вызывается подпрограмма COMFUN, формирующая вектор коммутационных функций. Затем вычисляются скольжение AM, действующие значения фазного тока, мгновенные значения фазных напряжения и тока, электромагнитный момент и ток на входе инвертора.
