Автономная система электрооборудования с вентильным электродвигателем. Электромобиль: история, устройство, плюсы и минусы Автономные системы электроснабжения частного дома

Электрический автомобиль, как показали статистические данные за текущий год, является очевидным будущим автопроизводства, причем ближайшим будущим. Многие всемирно известные автопроизводители вкладывают огромнейшие суммы в разработку электромобилей. Целю является желание сэкономить на нефтепродуктах, цена на которые систематически возрастает, а также необходимость снижения вредных выбросов в атмосферу и поиск новейших устройств хранения энергии, технологий энергопотребления.

В настоящее время крупнейшими рынками электромобилей являются Соединенные Штаты, Япония, Поднебесная и ряд стран Европы (Нидерланды, Германия, Норвегия,Франция,Великобритания). Производством электромобилей занимаются ряд марок, таких как Renault (Fluence Z.E. и ZOE),Nissan (Leaf, Toyota (RAV4EV), Ford (Focus Electric), Honda (FitEV) , BMW (Active C), Tesla (Roadster и Model S), Volvo (C30 Electric)), Mitsubishi (I MiEV). Если говорить о нашей стране, то 2015 год ознаменовался небывалым ростом продаж таких автомобилей, который составил 400% только за первые восемь месяцев текущего года.

Это говорит о том, что любителей экологичных стает все больше и больше: с января по август в стране, по данным МВД, зарегистрирован 231 электромобиль. Да, такая «новинка», несомненно, пришлась многим украинцам «по вкусу». А дело то в эффективном «электрическом зверьке», который, как говорится и денежку сэкономит и экологию побережет. Как вы уже догадались, разговор пойдет о электродвигателе. Давайте вместе разбираться «что это и с чем его едят».

1. Как устроен электромобиль?

Электромобиль, по сути, является транспортом, приводимым в движение одним или несколькими электромоторами. Внешне транспорт выглядит аналогично бензиновому, но есть одно очень важное отличие: бесшумный режим работы двигателя. «Тихоня»(так мы можем назвать электродвижок) питается от батареи (бывает солнечная, аккумуляторная или специализированный топливный элемент), которая исполняет функцию «топливного бака» и обеспечивает силовой агрегат энергией. Электромобиль также укомплектован контроллером – блоком, который управляет работой электродвигателя и регулирует потоки энергии в сети между аккумуляторами и двигателем. Все остальные компоненты практически такие же, что и в других автомобилей: , тормоза, подушки безопасности...

Для того, чтобы внедриться в принципы работы электромобиля, давайте рассмотрим технику переработки стандартного бензинового автомобиля на электрический. Такой автомобиль возродился от бензинового Geo Prism. Для того, чтобы переделать второй на электропривод, его внутренняя конструкция пережила небольшие перемены. Прежде всего, конструкторы произвели исключение бензинового движка, муфты сцепления, бензобака, выхлопных труб. «Механика» осталась на своем месте и заработала на второй передаче. Далее последовала установка контроллера и электродвигателя с переменным током. Свинцово-кислотные аккумуляторы были размещены на полу транспортного средства. Инженеры также произвели замену тормозной системы и оборудовали автомобиль усилителем руля, водяным насосом и системой кондиционирования. Вакуумный насос добавили для усовершенствования тормозной системы.

Трансмиссию подключили таким образом, чтобы при движении рычага, передавались сигналы на контроллер. Также, электромобиль оснастили зарядным устройством, вольтметром, двумя потенциометрами, подключив их к педали акселератора и контроллеру. В результате, конструктры получили электромобиль с такими характеристиками:

- пробег на единочном заряде батарей – 80 км;

Разгон до «сотни» за 15 секунд;

Сумма энергии, необходимой для перезарядки аккумуляторных батарей: 12 кВт/ч;

Сумарная масса батарей: 500 кг.

«Новачок» оказался прост в управлении, которое ничем не отличалось от аналогичного в автомобиле, использующем бензин.

Конструкция электромобиля имеет много плюсов. Дело в ее надежности, ведь в ней количество подвижных деталей и узлов сведено к минимуму. Для того, чтобы понять как устроен электромобиль, нужно прежде всего ближе познакомиться с его составляющими: трансмиссией, аккумулятором, электронной системой управления и специальным бортовым зарядным устройством. Начнем с первого. У данного экземпляра простейшая трансмиссия, так как на большинстве моделей она представляет собой простой одноступенчатый редуктор.

Если говорить о бортовом зарядном устройстве, то это довольно удобная «фишка» электромобиля, так как дает вам право рассматривать возможность зарядки транспорта от обычной розетки. С целью преобразования постоянного высокого напряжения в переменное, большинство производителей используют специальный инвертор. Он используется также с целью зарядки дополнительной батареи на 12 Вт. (она нужна для питания, к примеру, кондиционера, электроусилителя руля, или аудиосистемы).

Электронная система управления берет на себя ответственность за безопасность, энергосбережение и комфорт ездоков. Если покопать еще глубже, то такая система используется еще и с целью управления высоким напряжением, обеспечения нормального движения, регулировки тяги, контроля тормозной системы и расхода электроэнергии. Эта система включает в себя определенные входные датчики, блок управления и др..

Входные датчики выполняют функцию «оценщика» положения педали "газ" и "тормоз", селектора переключения передач, давления в системе тормоза, степени зарядки. Основные аспекты работы электромобиля (информация о потреблении энергии, восстановлении энергии, остаточный заряд аккумуляторной батареи) отображаются на панели приборов.

Важной составляющей «начинки» электромобиля является контроллер. Он получает токи от батарей и толкает их на электродвижок. С помощью двух потенциометров (переменных резисторов), которые находятся на педали акселератора, формируется сигнал, который «говорит» контроллеру, о количестве энергии, которую он должен транспортировать. Когда автомобиль находится в состоянии спокойствия, импульсы не передаются.

Как уже сообщалось, от бензинового автомобиля, электрический отличается бесшумной ездой. А все дело в частоте посылаемых контроллером импульсов - 15 тыс. раз в секунду. Человеческий слух почти не может уловить такой диапазон пульсации, поэтому движение автомобиля почти не сопровождается какими-либо звуками.

2. Электрические двигатели и аккумуляторные батареи

После того как мы рассмотрели дополнительные детали в конструкции автомобиля и более-менее поняли принцип его работы, мы переходим, непосредственно, к раскрытию темы нашей статьи, а именно к электродвигателю и работающей с ним в паре энергетической батареи. Электрический двигатель – это своеобразное «сердце» автомобиля и он также, как и другие «ипостаси» имеет ряд особенностей. Во первых, главной его функцией является создание , он способен пределать электрическую энергию в механическую.

Работа движка осуществляется по принципу электромагнитной индукции (возникновение электродвижущей силы в замкнутом контуре при изменении магнитного потока). В целом, электродвигатель представляет собой несколько трехфазных асинхронных либо синхронных электромашин, работа которых зависит от переменного тока. Стартовая составляет 15 кВт. Максималка способна достигнуть и 200 кВт. Эффективность электрической силовой установки и ДВС сопоставляется как 90% до 25%. Помимо этого, электрический агрегат имеет множество плюсов, среди которых возможность достижения максимального крутящего момента, двигаясь на любой скорости, а также простота конструкции, выгодное воздушное охлаждение и возможность эксплуатации без использования генератора..

На сегодня, популярностью пользуется эксплуатация мотор-колес. И не мудрено, ведь объединение обычного колеса и электродвижка в один агрегат повышает комфорт и легкость в управлении.

Плюсом движков переменного тока является способность к работе в режиме генератора на момент торможения транспорта, что способствует выработку энергии и сохранении ее в аккумуляторных батареях. Потом она может быть использована во время движения электромобиля и поспособствует повышению запаса хода на 15%. Много производителей используют в сборке некоторых моделей два и более электродвигателей. Таким образом конструкторы повышают силовую тягу, ведь в этом случае в движение приводится каждое колесо отдельно или несколько сразу. За таким ходом последует и сокращение трансмиссии, которое достигается встраиванием электродвигателей в колеса. Но, что бы не говорили, такой ход обусловит увеличение неподрессоренных масс и усложнит управление автомобилем.

«Подругой» электрического двигателя является аккумуляторная батарея. Ему без нее, как говорится, «ни туда и ни сюда». Она используется для обеспечения питания «сердца» автомобиля. В общем, разновидностей батарей очень много. Приобретение некоторых из них может влететь клиенту, как говорится, «в копеечку», ведь они отличаются завышенной ценой. Самый дешевый и, в следствии, самый популярный вариант - свинцово-кислотные батареи, которые на 97% поддаются повторной переработке. На ступеньку выше находятся никель-металлгибридные батареи, производительность и цена которых выше чем у свинцово-кислотных.

Идеальными для электромобилей являются литий-ионные батареи, так как в плане компактности, легкости и энергосбережении они способны превзойти первые два вида. Та же ситуация и с ценовой политикой, ведь данный вид батарей является наиболее дорогостоящим. Она представляет собой соединение нескольких модулей, которые вместе выдают 300 Вт систематического тока. Емкость батареи, как правило, прямопропорциональна к мощности двигателя. Срок действия батареи ограничивается на 7 лет.

Зачастую, многие автопроизводители оснащивают свои электромобили ещё одним небольшим дополнительным аккумулятором, который «оживляет» работу автомобильных аксессуаров: приборной панели, фар, автомагнитолы, подушек безопасности, электрических стеклоподъемников, стеклоочистителей и др.

В основном, в конструкции автомобилей на электрической тяге инженеры известных автопроизводств используют литий-ионные батареи. Именно в этом факте кроется главная причина высокой стоимости такого рода авто.

Большинство клиентов, как ни странно, предпочитают бензиновые автомобили, которые обойдутся им дешевле. Отталкивающее действие производит и длительное ожидание зарядки аккумулятора и не очень хорошая автономность. На сегодня, электромобили, в основном, эксплуатируются как транспорт для города. Стиль вождения, покрытие трассы оказывают сильное влияние на показатель автономности. Многие производители смогли добиться пробега в 150 км без дополнительной зарядки, но это при 70 км/ч. Если вы решили разогнаться до 130 км/ч, то вы проедете не более 70 км. В помощь водителю многие компании разработали специальные технологии, которые позволяют повысить автономность где-то до 300 км. Ранее упомянутое рекуперативное торможение, является одной из этих технологий и способно возвратить до 30% затраченной энергии.

3. Зарядка электрического автомобиля

Но все же, если вы уже решились на покупку электромобиля, первой хорошей новостью для вас станет тот факт, что на содержание такого автомобиля у вас уйдет в 3-4 раза меньше расходов, ведь они, в целом, зависят от стоимости электроэнергии. Всем же известно, что цена на нефтепродукты постоянно возрастает.

Сама зарядка включает в себя две цепи: цепь зарядки и цепь контроля зарядки. Вышеупомянутый контроллер способен отследить ток и температуру батареи, дабы свести время зарядки к минимуму. Это происходит во время сложной системы зарядки. Если брать зарядку ту что попроще, в таком случае напряжение или ток регулируются на основе предположений о характеристике батареи отслеживаются на основе регулируют их. К примеру, устройство для зарядки «втискивая» из себя максимальный показатель тока для зарядки электромобиля до 80%, вскоре по достижению этой отметки резко снижает поступление тока к концу зарядки. Все это хитромудро придумано для избежания перегрева батареи. Зарядка может «жить отдельной жизнью» и быть независимым от конструкции электромобиля блоком, или же быть всецело интегрированной в электрический транспорт.

Сразу после ценовой политики, многих покупателей волнует система зарядки автомобиля, ведь пробег транспортного средства на одном заряде батарей «затиснут» в определенные рамки. Как известно, неотъемлемой частью использования электромобиля является нужда в систематической зарядке аккумуляторной батареи, которая, в свою очередь, занимает не мало времени.

На деле, если диапазон пробега вашего «электромобильчика» не будет превышать 50-60 км ежедневно, вам нечего боятся. Но что, если вы любители дальних и длительных поездок? Не отчаивайтесь! Решений проблемы есть много. Во первых, электромобиль требует добротной зарядки аккумуляторной батареи, которую вы сможете осуществить с помощью бытовой электрической сети мощностью 3-3,5 кВт. Запомните, что нормальный заряд достигается только спустя восемь часов! Если вы не любите, или не можете ждать, то альтернативой для вас станет ускоренная зарядка, которая доступна на специальных станциях мощностью до 50 кВт. Так вы сможете зарядить своего «рысака» до 80% всего за 30 минут.

Еще одним способом станет элементарная замена разряженной аккумуляторной батареи на заряженную, которая может осуществиться на специальных станциях по обмену. Особой популярностью в развитых в этом плане странах пользуется система зарядки Magna-Charge.

Она состоит из двух ипостасей: зарядной станции, установленной на стене дома и системы зарядки, которая находится в багажнике электромобиля. Первая подключается к сети 240 вольт используя 40-ка амперный автомат. Другая использует для этого индуктивную панель (половинка трансформатора). Другая половина находится в отсеке за номером электромобиля. Таким образом данная система позволяет сделать заряд автомобиля более комфортным и быстрым.

Но опять же, все эти решения имеют место в том городе или стране, где прослеживается развитие инфраструктуры, а именно, тех самых зарядных и обменных станций и мест парковки.

Электродвигатель – устройство, которое занимается преобразованием электроэнергии в механическую. Он работает, используя принцип электромагнитной индукции.В последнее время он все сильнее популяризируется на автомобильном рынке в качестве перспективного направления развития автопромышленности. Поэтому есть смысл подробнее ознакомиться с устройством электромобиля, его двигателя, за которым может быть будущее отрасли.

Принцип работы и устройство

Электродвигатель включает в себя статор и ротор. Вращающееся магнитное поле в статоре действует на обмотку ротора и наводит в нём ток индукции, возникает вращающий момент, который приводит в движение ротор. Электроэнергия, поступающая на обмотки мотора, преобразуется в механическую энергию вращения.

Благодаря развитию технологии электродвигатели нашли применение в разных отраслях, например, автомобилестроении. Причем они способны использоваться либо отдельно, либо совместно с (ДВС). Последний вариант – гибридные авто.

От электродвигателей, применяемых на производствах, агрегат для авто отличается малыми габаритами, но повышенной мощностью. К тому же современные разработки все больше отдаляют двигатели для автомобилей от иных подобных устройств. Характеристиками электромобилей являются не только показатели мощности, крутящего момента, но и частота вращения, ток и напряжение. Поскольку от этих данных зависит передвижение и обслуживание авто.

Виды

Чтобы лучше разобраться в многообразии, которое нам дарит авторынок, стоит рассмотреть существующие виды электродвигателей для электромобилей.

Их можно условно классифицировать по типу тока:

• устройства переменного тока;
• конструкции постоянного тока;
• решения универсального образца (способны функционировать от постоянного и переменного тока).

Электромобили двигаются под действием электричества, которое первоначально попадает к ним из обычной домашней электросети и запасается в автомобильных перезаряжаемых аккумуляторах.

Такому автомобилю не нужна коробка передач, применяемая в двигателях внутреннего сгорания. Потому что вал электродвигателя здесь присоединен прямо к колесу. Электричество питает мотор, и мотор крутит колесо, которое двигает машину. Сейчас сделаны опытные электромобили с одноразовым запасом энергии на борту, достаточным для 130-мильного пробега. Эти автомобили намного меньше загрязняют окружающую среду и работают значительно тише, чем автомобили, "кушающие" бензин. Пожалуй, главным недостатком электромобиля является то, что ему требуется шесть часов на полную зарядку аккумуляторов.

Автомобиль с автоматической коробкой передач

Если взглянуть на приборную панель электромобиля (рисунок выше), то видно, как просто сделан рычаг управления передачами, - по той причине, что в машине нет коробки передач. Все, что должны показывать приборы на панели, это число оборотов в минуту двигателя, скорость автомобиля и уровень зарядки электрической батареи.

Каким образом электрическая энергия вращает колеса

Принципиальная схема электромобиля

Электромобиль движется под действием электрической энергии, которую он первоначально запасает в своих аккумуляторах (рисунок ниже). При движении автомобиля электрическая энергия приходит на электромагнитный разъем. Оттуда под управлением водителя и сигналов от датчиков энергия поступает на электродвигатели, которые крутят колеса и заставляют автомобиль двигаться.

Подзарядка "севших" аккумуляторов электромобиля

Схема заряда аккумуляторов электромобиля

Электро-зарядное устройство автомобиля нужно для того, чтобы бортовые аккумуляторы накопили новую электрическую энергию взамен истраченной на движение автомобиля. Устройство получает энергию для зарядки через обычную электро-розетку, какие стоят в жилых домах.

Энергия передается прямо на колеса

Мощный постоянный магнит, находящийся внутри электродвигателя, позволяет вращать колесо без ведущего вала и шестеренок, применяемых в обычных автомобилях. Поэтому в электромобиле нет дифференциала, передаточных устройств с шестеренками и коробки передач. Энергия там идет от электродвигателя прямо на колеса.

В модели электромобиля "Дестини 2000" (Destiny 2000 ) сочетается применение солнечных панелей и аккумуляторов с кузовом из стекловолокна.

​

Тяговый преобразователь ТП80-200

Параметры тягового преобразователя:

​

Тип.......................................................Трехфазный двухуровневый инвертер напряжения на IGBT транзисторах

Номинальная мощность......................................................................................................30 кВт

Максимальная мощность*...................................................................................................80 кВт

Номинальное напряжение питания (от АКБ).....................................................................192 В

Ток максимальный.................................................................................................................365 А

Климатическое исполнение.................................................... ............................................“У”, категория 2

Температура эксплуатации...................................................................................................от минус 40 до плюс 40 °С

Номинальная частота вых. напряжения..............................................................................50 Гц

Максимальная частота вых. напряжения...........................................................................166 Гц

Масса.......................................................................................................................................15 кг

Габариты..................................................................................................................................413x262x207

Исполнение............................................................................................................................ IP54

Способ охлаждения............................................................................................................. Жидкостное

Расход охлаждающей жидкости.......................................................................................... не более 11 л/мин

Падение давления охлаждающей жидкости........................................................................0,2 бар

Способ управления АД......................................................................................................... Векторное управление

Тяговый электродвигатель AFMT 30/80.

Параметры тягового двигателя:

​

Тип двигателя........................................................................... Асинхронный с короткозамкнутым ротором

Номинальная мощность...........................................................30 кВт

Максимальная мощность *.......................................................80

Входное напряжение................................................................3 фазы 140 В

Номинальный момент...............................................................288 Нм

Максимальный момент.............................................................600 Нм

Номинальная скорость.............................................................1000 Об/мин

Максимальная скорость............................................................5000 Об/мин

Система охлаждения.................................................................Жидкостная

Расход охлаждающей жидкости................................................не более 15 л/мин

Падение давления охлаждающей жидкости............................0,2 бар

Масса..........................................................................................214 кг

Бортовое зарядное устройство+вспомогательный инвертор ПЗ 16/200.

Зарядное устройство ПЗ 16/200 (в дальнейшем «изделие») обеспечивает заряд тяговой батареи от сети 220/380 В, формирование сети 220/380 В для питания потребителей через Подкузовную розетку ПЗ 16/200, а также обеспечивает питанием вспомогательный привод насосов гидроусилителя руля и вакуумных тормозов при передвижении транспортного средства.

Параметры бортового зарядного устройства:

​

Тип зарядного устройства....................................................на IGBT транзисторах без гальванической развязки от сети

Номинальное напряжение питания...........................................................................~3ф, 380 В/~1ф, 220 В

Номинальная мощность зарядного устройства от сети ~3ф, 380В.........................12 кВт

Номинальная мощность зарядного устройства от сети ~1ф, 220В..........................3,5 кВт

Выходное напряжение питания батареи...................................................................=160-240 В

Выходной ток заряда батареи....................................................................................40 А

Выходное напряжение для питания DC/DC...............................................................400-600 В

Выходной ток питания DC/DC.....................................................................................3 А

Способ охлаждения.....................................................................................................Жидкостное

Расход охлаждающей жидкости..................................................................................не более 3 л/мин

Падение давления охлаждающей жидкости..............................................................0,2 бар

Зарядное устройство (ЗУ) во время движения обеспечивает питанием вспомогательный электродвигатель со следующими параметрами:

​

Номинальная мощность..............................................................................................2,4 кВт

Номинальное напряжение питания............................................................................=160-240 В

Выходное напряжение.................................................................................................~3 ф, 220/380 В

Зарядное устройство во время стоянки обеспечивает питанием от АКБ потребителей со следующими параметрами

(при отсутствии заряда АКБ):

​

Номинальное выходное напряжение..........................................................................~3 ф, 380 В/~1ф, 220 В

Номинальная выходная мощность ~3ф, 380В...........................................................10 кВт

Номинальная выходная мощность ~1ф, 220В............................................................3 кВт

Перегрузочная способность.........................................................................................120 % в течении одной минуты

Режим работы нейтрали...............................................................................................IT (изолированный)

DC/DC преобразователь ППН 1.0/200/12

DC/DC ППН 1.0/200/12 обеспечивает питанием потребители 12 В, а так же обеспечивает заряд аккумулятора автомобиля.

Электропитание изделия осуществляется от питающей распределительной сети постоянным напряжением 600 В, а так же постоянным напряжением 12 В от свинцово-кислотного аккумулятора для питания внутренних цепей.

Параметры DC/DC преобразователя:

​

Тип зарядного устройства......................с гальванической развязкой от тяговой батареи и ЗУ

Входное напряжение................................................................=500-600 В

Выходное напряжение.............................................................14 В

Мощность..................................................................................1 кВт

Способ охлаждения..................................................................Жидкостное

Степень защит..........................................................................IP54

Рабочий диапазон температур эксплуатации.........................от минус 40 до +50 ˚С

Относительная влажность воздуха..........................................95 %

Габаритные размеры................................................................500×217×135 мм

Вес............................................................................................8 кг

0 Бюл. У 1 научно-исследоваут электромашиностронаправлени я вычислит осцепления на т го используют ройства, с по ью которых ые усо сигозбужд а якоря, оложения алам датчиков т ения и углового еско еобх регулирительных о потокосцепления и и возбуждения допол ольных обмоток возб уждения, испо тегральныезуя пропорционально- регуляторы и усилите и токов в тромеханиче з.п. ф-лы,дения генератора икого преобразовател7 ил. СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР ения(56) Вентилъные двигатели и их применение на электроподвижном составе,/ 11 од ред, Б.Н.Тихменева. - М,:Транспорт, 1976, 10-13 с,Авторское свидетельство СССР11 1356134, кл. Н 02 К 29/06, 1985.(54) АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ С ВЕНТИЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ(57) Изобретение относится к электротехнике, конкретно к регулируемым электрическим машинам переменного Тока при работе их от преобразователей частот, и может быть использовано в системах электропривода и электроснабжения транспортныхсредств, Цель изобретения - уменьшение пульсаций вращающего моментавентнльного электродвигателя, улучшение энергетических, динамических,массогабаритных показателей и расширение диапазона регулирования частоты вращения. Индукторы генератораи электромеханического преобразователя вентильного электродвигателяснабжаются дополнительными продольными обмотками возбуждения, токкоторых регулируется так, чтобы проекция регулируемой части векторапотокосцепления возбуждения по продольной оси на направление, ортогональное вектору тока якоря, былапропорциональна проекции асинхронносоставляющей вектора основного пото енератора и электромеханипреобразователя вычисляютмый заноя изменения основн1534662 Составитель А. Санталов Редактор В. Петраш Техред И.Ходанич Корректор И. Кучерява одписн ул. Гагарина Производственно-издательский комбин тент, г, Уж Заказ 52 Тираж 435 ВНИПИ Государственного комитета по изоб 113035, Москва, Ж, Раетениям и открытиям при ГКНТ СССушская наб д. 4/5нальны тригонометрическим функциямположения их роторов, Каждая фазакольцевой обмотки 19 якоря генератора 1 выполнена из двух ветвей,расположенных одна относительно другой на угол 6 /р, и соединенных междусобой дополнительной обмоткой 21 возбуждения, ось которой совпадает сосью полюсов индуктора 20 генератора 1, Дополнительная обмотка 21возбуждения подключена к выходу первого усилителя 13 тока через первыйдополнительный датчик 15 тока, Входпервого усилителя 13 подключен квыходу первого пропорционально-интегрального регулятора 11, первыйвход которого подключен к выходу первого вычислительного устройства 9,а второй вход объединен с первымвходом первого вычислительного устройства 9 и подключен к выходу первого дополнительного датчика 15 тока. Второй двухканальный вход первого вычислительного устройства 9подключен к первому дополнительномувыходу системы 4 управления, а ш -фазный вход этого вычислительногоустройства 9 подключен к выходу шфазиого датчика 17 тока якоря гене. -ратора 1,Каждая фаза кольцевой обмотки 22якоря ЭМП 2 выполнена из двух вет"вей, расположенных одна относительнодругой на угол /р и соединенныхмежду собой своими разноименнымивыводами. Индуктор 23 ЭМП 2 снабжендополнительной обмоткой 24 возбуждения, ось которой совпадает с осьюполюсов индуктора 23 ЭМП 2. Дополнительная обмотка 24 возбужденияЭМП 2 подключена к выходу второгоусилителя 14 тока через второй дополнительный датчик 16 тока. Входвторого усилителя 14 подключен квыходу второго пропорцнонально-.интегрального регулятора 12 тока, первый вход которого подключен к выходу второго вычислительного устройства 10, а второй вход объединен спервым входом второго вычислительного устройства 10 и подключен квыходу второго дополнительного датчика 16 тока. Второй двухканальныйвход второго вычислительного устройства 10 подключен к второму дополнительному выходу системы 4 управле"ния, а ш -фаэный вход.этого вычислительного устройства 10 подключен 3 1534662Изобретение относится к электротехнике, а именно.к регулируемым машинам переменного тока различногоназначения при работе их от преоб 5разователя частоты, и может бытьиспользовано в автономной системеэлектрооборудования (АСЭ) транспортных средств с вентильными электродвигателями. 10Цель изобретения - уменьшениепульсаций вращающего момента, улучшение энергетических, динамическихи массогабаритных показателей и расширение диапазона регулирования частоты вращения вентильного электродвигателя (ВД),На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема АСЭ с ВД;на фиг, 2 и 3 - векторные диаграммы 20изображающих векторов генератора иэлектромеханического преоьразователя (ЭМП); на фиг, 4 - функциональная схема вычислительного устройства; на фиг, 5 - функциональная схема блока моделирования потокосцеплений якоря; на фиг, 6 - конструктивная схема ЭМП и генератора с дат"чиками углового положения ротора;на фиг. 7 - конструктивная схема ЗОдиска ротора ЭМП и генератора.АСЭ (фиг. 1) содержит 2 р -полюсный ш,-фазный генератор 1 переменного тока и вентильный электродвигатель, включающий в себя 2 р -полюсныйш -фазный ЭМП 2, обмотки якорей которых связаны через преобразователь3 частоты, управляющий вход которого подключен к выходу системы 4 уп"равления (СУ), датчик 5 углового по" 40ложения ротора генератора 1, установленный на оси 6, датчик 7 углового положения ротора ЭМП 2, уста"новленный на оси 8, первое 9 и второе 10 вычислительное устройства, 5два пропорционально-интегральных ре"гулятора 11 и 12 тока, два усилителя 13 и 14 тока, два дополнительныхдатчика 15 и 16 тока, ш -фазныйдатчик 17 тока якоря генератора 1, 5 Ош -фаэный датчик 18 тока якоря ЭМП 2,СУ 4 снабжена двумя дополнительными выходами, входами для регулирования угла запаздывания и угла опе"режения и информационными входами,подключенными соответственно к выходам датчиков 5 и 7 углового положения роторов генератора 1 и ЭМП 2,выходные сигналы которых пропорцио(2) 50где 6,55"с 1 д фХ 5 1к выходу щ, -фазного датчика 18 токаякоря ЭМП 2,Каждое вычислительное устройство9 и 1 О (фиг, 4) включает в себя двакоординатных преобразователя 25 и26, блок 27 моделирования потокосцеплений якоря, блок 28 выделениясреднего значения, блок 29 суммирования, блок 30 деления, выход которого является выходом вычислительныхустройств 9 и 10, а вход делимогоподключен к выходу блока 29 суммирования, первым входом соединенногос выходом блока 28 выделения среднего значения. Вход блока 28 соединенс вторым входом блока 29 суммирования и с выходом второго координатного преобразователя 26, первый ивторой входы которого соединены сопервым и вторым выходами блока 27моделирования потокосцеплений якоря,первым и вторым входами соединенногос первым и вторым выходами первогокоординатного преобразователя 25,третьим входом - с источником эквивалентного сигнала, а четвертый входблока 27 моделирования является первым входом вычислительного устройства 9 и 1 О. Вход делителя блока 30деления, третий вход второго координатного преобразователя 26, первыйвход первого координатного преобразователя 25 объединены и представляют собой первый канал второго двухканального входа вычислительногоустройства 9 и 10, Четвертый входвторого координатного преобразователя, 26, второй вход первого координатного преобразователя 25 объединены и представляют собой второй канал второго двухканального входа вычислительных устройств 9 и 1 О, а щ 1 фаэный или щ -фазный вход первогокоординатного преобразователя 25 является щ-фазным или щ -фазным входами вычислительных устройств 9 и 10.В АСЭ при фазовом регулировании напряжения генератора 1 и напряженияЭМП 2 эквивалентный выпрямленный ток(модуль вектора тока якоря) ЭМП 2содержит, кроме постоянной составляющей, переменные составляющие тока, которые и являются причинойпульсации вращающего момента и ухудшения энергетических показателей ВД.Кроме того, вращающий момент ВД является пульсирующим даже при идеально сглаженном эквивалентном выпрям 534662 Ьленном токе ЭМП 2 ввиду дискретногохарактера изменения положения векто".ра тока якоря ЭМП 2, что приводитпри низких частотах вращения к явлению шагания ВД, ограничивая теми 1самым диапазон регулирования частотывращения АСЭ с ВД, Дискретный характер изменения положения вектора тока якоря генератора 1 вызывает пульсации электромагнитного момента генератора 1 и приводит к ухудшениюего энергетических показателей,Пульсации эквивалентного выпрямленного тока и момента, обусловленные фазовым регулированием напряжения ЭМП 2 и дискретным характеромизменения вектора тока якоря ЭМП 2,можно устранить, если проекцию век тора основного потокосцепления якоря ЭМП 2 на направление.д, ортогональное вектору току якоря ЭМП 2поддерживать равной ее среднему значению путем регулирования тока возбуждения ЭМП 2 по продольной оси Йд для чего необходимо компенсировать переменную составляющую проекции вектора основного потокосцепления й(3 рд в выражении, электромагнит ного момента (фиг. 2) Мд = (С 1 р д + Ь(ф бд) хд где(б - среднее значение проек ции вектора основногопотокосцепления на направление Ед, ортогональное вектору тока якоряЭМП 2 д,40 Из диаграммы изображающих векторов(фиг, 2) необходимая величина потокосцепления дополнительной обмотки24 возбуждения ЭМН 2 по продольнойоси й определяетсяЧ,1 Д =ЦУ д/совъ+ 12нп6 оугол опережения включения при холостом ходе, определяемый установкой датчика 7 углового положения ротораЭМП 2;ток возбуждения и индуктивное сопротивление рассеяния дополнительной продольной обмотки 24 возбуядения ЭМП 2.где и - среднее значение проек обгции вектора основного потокосцепления на направление Гг, ортогональноевектору тока якоря генератора 1Из диаграммы изображающих векторов (Фиг. 3) необходимая величина потокосцепления дополнительной обмотки 21 возбуждения генератора 1 по продольной оси й определяется так: 30 3569,1,= Й(/сов С, + 61(4) Гф.где сг оЫ - угол запаздывания включенияпри холостом ходе, определяемый установкой датчика5 углового положения роторагенератора 1; 11 йгХ - ток возбуждения и индуктиво 1 гное сопротивление рассеяниядополнительной продольнойобмотки 21 возбуждения генератора 1,Диаграммы изображающих векторов(Фиг. 2 и 3) для простоты рассмотрения построеныдля углов коммутациитока в Фазах ЗМП 2 и генератора 1,равных Фг1 = 0 (принудительнаякоммутация), При наличии углов коммутации вычислительные устройства 9и 10 определяют проекции переменных 50 Аналогично можно устранить пульсации эквивалентного выпрямленного. тока и момента, обусловленные Фазовым регулированием напряжения генератора 1 и дискретным характером5 изменения вектора тока якоря генератора 1. Для этого проекцию вектора основного потокосцеппения якоря генератора 1 на направление Е, ортого нальное вектору. тока якоря генератора 1 1 , необходимо поддерживать равной ее среднему значению путем регулирования тока возбуждения генератора 1 по продольной оси й, для 15 чего необходимо компенсировать переменную составляющую проекции вектора основного потокосцепления Ь 55 г в выражении электромагнитного момента (Фиг, 3): составляющих основного потокосцепления Ь, 6 (1с учетом их амплитуд и Фаз на коммутационном интервале, При этом регуляторы 11 и 12 тока позволяют с достаточной для практики точностью поддерживать как в статике, так и в динамике проекции векторов основного потокосцепления р о4 на уровне, соответствующем их средним значениям, включая и коммутационные интервалы, Первые слагаемые в выражениях (2) и (4) Формируются с помощью вычислительных устройств 9 и 10, выходные сигналы которых подаются на первые входы пропорционально-интегральных регуляторов 11 и 12 тока, на вторые входы которых подаются сигналы, пропорциональные токам возбуждения дополнительных продольных обмоток 21 и 24 возбуждения генератора 1 и ЭМП 2, Масштабные козФФициенты на входах регуляторов 11 и 12 выбираются так, что суммарный сигнал определяется выражениями (2) и (4),За счет интегральных составляющих на выходах регуляторов 1 и 12 вырабатывается сигнал, обеспечивающий после усиления усилителями 13 и 14 необходимое напряжение на дополнительных обмотках 21 и 24 возбуждения генератораи ЭМП 2, требуемое для поддержания проекции вектора основного потокосцепления якоря генератоРа 1 и ЭМП 2 (1 г и(1) на УРовне, равном их средним значениям, Выбор соответствующих передаточных Функций регуляторов 11 и 12 тока дополнительных обмоток 21 и 24 возбуждения обеспечивает динамику процесса регулирования возбуждения.Вычислительные устройства 9 и 10 предназначены для определения переменных составляющих проекций векторов основного потокосцепления генератора 1 и ЗМП 1 на оси, ортогональные векторам токов обмоток якоря генератора 1 и ЭМП 2, и моделирования части потокосцеплений дополнительных обмоток 21 и 24 возбуждения генератора 1 и ЭМП 2 согласно выражениям (2) и (4), Для этого применяется первый координатный преобразователь 25, который состоит из типовых множительных и суммирующих элементов и реализует преобразование тока от Фазовых составляющих к продольной и поперечной составляющим по сигналам6210 9 .1 5346 датчиков 17 н 18 и по сигналам датчиков 5 или 7 углового положения роторов генератора 1 или ЭИП 2. Моделирование основных потокосцеплений якоря по осям 6, с 1 осуществляется в блоке 27 моделирования продольной и поперечной составляющих потокосцеплений (Фиг. 5). Нелинейные элементы 31 и 32 имеют одинаковые характеристики и определяют зависимость основного потока у от результирующей намагиичивающей силы 1, т.е. (= = Г, Намагничивающие силы 1, одной половины полюса определяются суммой намагиичивающих сил по продольной и поперечной осям (фиг. 5)МВ 0,5(В + Ю),111 0,5(У, + 11),% адругой половини полюса х - разностью Этим намагиичивакнщим силам соответствуют потокосценления), и ц, т.е.выходы нелинейных элементов 31 и 32 Масштабные коэициенты усилителей33 и 34 выби.аагая так, что суммарные сигнал на выходах этих усилителей определяются выражениями Далее составляющие основного потокосцепления по осям 4, 9 поступают вовторой координатныйпреобразователь26, состоящий иэ типовых множительных и суммирующих элементов и осуществляющий переход из продольной ипоперечной составляющих основногопотокосцепления к составляющей основного потокосцепления(р, ортогональйой вектору тока якоря, по следующему соотношению:В 6 Ч" соз -1 здпС,ь" 1Составляющая основного потокосцепленияподается на вход блока 28выделения среднего значения, на выходе которого получают среднее значение основного потокосцепления о,Блок 28 может быть выполнен в виде 25 за 35 40 4 50 55 интегратора. Переменную составляющую основного потокосцепления А бполучают на выходе блока 29 суммирования как разность составляющихиподаваемых на вход блока 29 суммирования. На выходе блока 30 деления получают сигнал, необходимый для моделирования потокосцепления продольной дополнительной обмотки 2 или 24 возбуждения Генератор 1 и ЭИП 2 (Лиг. 6 и 7) выполнены скомбинированным возбужде" кием, при этом якори генератора 1 и ЭИП 2 содержат ш,-фаэную генератора 1 и т -разную ЭИП 2 кольцевые обмотки 19 и 22, жестко закрепленные на тороидальном магнитопроводе 35, зафиксированном неподвижно относительно корпуса 36 с помощью наружной немагнитной втулки 37, а индукторы 20 и 23 генератора 1 и ЭИП 2 расположены с двух торцовых сторон якоря и состоят из магнитопроводящих секторов 38, образующих многополюсную систему, жестко закрепленных на внутренней и внешней магнитопроводящих втулках 39 и 40, разделенных между собой немагнитной втулкой 41 индукторов 20 и 23 генератора 1 и ЭМП 2.Число магнитопроводащих секторов 38 равно числу полюсов, оси секторов 38, примыкающих к одной стороне якоря, совпадают с осью секторов 38, примыкающих к другой стороне якоря. Внутренняя магеитопроводящая втулка 39 жестко закреплена на валу 42, внешняя магнитопроводящая втулка 40 жестко прикреплена к внутренней магнитопроводящей втулке 39 через не- магнитную втулку 41 индукторов 20 и 23 генератора 1 и ЭИП 2. Нри этом на магнитопроводящих секторах 38 внутренней магнитопроводящей втулки 39, примыкающих к одной стороне якоря, закреплены полюсы 43 из магнито-. твердого материала одной полярности, а примыкающих к другой стороне яко- ря - полюсы 43 из магнитотвердого материала другой полярности, на магнитонроводящих секторах 38 внешней магнитопроводящей втулки 40 закреплены полосы 44 из магнитомягкого материала.Дополнительные обмотки 21 и 24 генератора 1 и ЭИП 2 выполнены в ви 1534662 12де цилиндрической катушки 45, закрепленной неподвижно относительно сектора через внутреннюю немагнитную втулку 46 и расположенной в пространстве, ограниченном внутренним диамет" ром кольцевых обмоток 19 и 22 генератора и ЭИП 2 и наружным диаметром внешней магнитопроводящей втулки 40, с торцов обмотки 21 и 24 возбуждения генератора 1 и ЭМП 2 примыкают через рабочий зазор к внутренним торцовымповерхностям магнитопроводящих секторов 38. К наружной торцовой поверхности магнитопроводящих секторов 38одной активной стороны индукторов 20и 23 генератора 1 и ЭМП 2, напримерправой, прикреплен ротор 47 датчикауглового положения, выполненного ввиде бесконтактного синусно-косинусного вращающегося трансформатора дискового типа с кольцевыми высокочастотными трансформаторами 48, статор 49 которого закреплен на внутренней торцовой поверхности подшипникового щита 50.Принцип действия электрических манин синхронного типа с комбинированным возбуждением известен, Лучшееиспользование активного объема машины достигается в машинах за счет второй активной стороны катушки статора. При этом улучшается тепловое состояние машины, так как увеличивается теплоохлаждающая поверхность обмоток статора. Дополнительная обмотка возбуждения машины, почти не увеличивая занимаемого машиной объема, приводит к образованию дополнительного электромагнитного момента, причем этот момент изменяется по величине в соответствии с сигналом управления. Наличие двух магнитопроводящих контуров (контура магнитоэлектрического типа и контура электромагнитного типа) позволяет осуществлять независимое электромеханическоп преобразование с суммированием электромагнитных моментов на общем валу. Расширение функциональных возможностей в электрических машинах такого типа позволяет использовать их как в качестве генераторов с регулируемым напряжением, так и в качестве двигателей, управляемых по моменту и частоте вращения,Формула изобретения1, Автономная система электрооборудования с вентильным электродвигателем, содержащая 2 р -полюсныйш,-фазный генератор переменного токаи вентильный электродвигатель, включающий в себя 2 р -полюсный ш -фазный 5электромеханический преобразователь,обмотки якорей которых выполнены покольцевой схеме и связаны через преобразователь частоты, управляющийвход которого подключен к выходу системы управления, снабженной входамидля регулирования угла запаздыванияи угла опережения и информационными входами, подключенными соответственно к выходам датчиков угловогоположения ротора электромеханического преобразователя и генератора,п 1,-фазный датчик тока якоря генератора и ш-фазный датчик тока якоряэлектромеханического преобразователя, отличающаяся тем,что, с целью уменьшения пульсацийвращающего. момента, улучшения энергетических, динамических, массогаба ритных показателей и расширения диапазона регулирования частоты вращения, в нее дополнительно введеныпервое и второе вычислительные устройства, два пропорционально-интегральных регулятора тока, два усилителя тока и два дополнительных датчика тока, система управления снабжена двумя дополнительными выходами,а индуктор электромеханического пре"образователя и индуктор генератораснабжены дополнительной обмоткой возбуждения, каждая ось которой совпадает с осью полюсов соответствующегоиндуктора, обмотки якоря генератора 40 и электромеханического преобразователя выполнены кольцевыми, каждаяфаза обмоток якоря электромеханичес"кого преобразователя и генераторавыполнена из двух ветвей, располо"женных одна относительно другой наугол й/р у генератора и Ф/р уэлектромеханического преобразователяи соединенных между собой своими1разноименными выводами, дополнитель"ная обмотка возбуждения генератораподключена к выходу первого усилителя тока через первый дополнительный датчик тока, вход первого усилителя подключен к выходу первого пропорционально-интегрального регулятора, первый вход которого подключенк выходу первого вычислительногоустройства, а второй вход объединенс первым входом первого вычислитель 13141534 ЬЬ 2ного устройства и подключен к выходу первого дополнительного датчика тока, второй двухканальный вход первого вычислительного устройства под 5 ключен к первому дополнительному выходу системы управления, а ш 1-фазный вход этого вычислительного устройства подключен к выходу ш,-фазного датчика тока якоря генератора, дополнительная обмотка возбуждения электромеханического преобразователя подключена к выходу второго усилителя тока через второй дополнительный датчик тока, вход второго усилителя подключен к выходу второго пропорционально-интегрального регулятора, первый вход которого подключен к выходу второго вычислительного устройства, а второй вход объединен с первым входом второго вычислительного устройства и подключен к выходу второго дополнительного датчика тока, второй двухканальный вход второго вычислительного устройства подклю чен к второму дополнительному выходу системы управления, а ш -фазный вход этого вычислительного устройства подключен к выходу ш -фазнЬго датчика тока якоря электромеханического преобразователя, причем каждое вычислительное устройство включает в себя два координатных преобразователя, блок моделирования потокосцеплений якоря блок выделения среднего знаЭ35 чения, блок суммирования, блок деления, выход которого является выходом вычислительного устройства, а вход делимого подключен к выходу блока суммирования, первым входом соединенного с выходом блока выделения среднего значения, вход которо,го соединен с вторым входом блока суммирования и выходом второго координатного преобразователя, первый н второй входы которого соединены с первым и вторым выходами блока моделирования потокосцеплений якоря, первым и вторым входами соединенного с первым и вторым выходами первого координатного преобразователя, тре 50 тьим входом - с ис точником зкв ив алентного сигнала, а четвертый вход блока моделирования является первым входом вычислительного устройства, вход делителя блока деления, третий вход второго координатного преобразователя и первый вход первого координатного преобразователя объедине" ны и представляют собой первый каналвторого двухканального входа вычислительного устройства, четвертыйвход второго координатного преобразователя, второй вход первого координатного преобразователя объединены и представляют собой второй каналвторого двухканального входа вычислительного устройства, а ш -фазныйвход первого координатного преобразователя является ш -фазным входомвычислительного устройства. 2. Система по и. 1, о т л и ч а - ю щ а я с я тем, что генератор и электромеханический преобразователь выполнены с комбинированным возбуждением, при этом кольцевые обмотки якоря генератора и электромеханического преобразователя, жестко закреплены на тороидальном магнитопроводе, зафиксированном неподвижно относительно корпуса с помощью наружной немагнитной втулки, а индуктор расположен с двух торцовых сторон якоря и состоит из магнитопроводящих секторов, образующих многополюсную систему, жестко закрепленных на внутренней и внешней магнитопроводящих втулках, разделенных между собой немагнитной втулкой индуктора, число магнитопроводящих секторов равно числу полюсов, оси секторов, примыкающих к одной стороне якоря, совпадают с осью секторов, примыкающих к другой стороне якоря, внутренняя магнитопроводящая втулка жестко эак" реплена на валу, внешняя магнитопроводящая втулка жестко прикреплена к внутренней маГнитопроводящей втулке через немагнитную втулку индуктора, на магнитопроводящих секторах внутренней магнитопроводящей втулки, примыкающих к одной стороне якоря, закреплены полюсы из магнитотвердого материала одной полярности, а примыкающих к другой стороне якоряполюсы из магнитотвердого материала другой полярности, на магнитопроводящих секторах внешней магнитопроводящей втулки закреплены полюсы из магнитных материалов, дополнительная обмотка возбуждения выполнена в виде цилиндрической катушки и расположена в пространстве, ограниченном внутренним диаметром кольцевой обмотки ста" тора и наружным диаметром внешней магнитопроводящей втулки индуктора, 15. 1534662а с торпов обмотка возбуждения примькает через рабочий зазор к ннутренним торцовым поверхностям магнитопроводящих секторов.

Заявка

4275862, 18.05.1987

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОМАШИНОСТРОЕНИЯ

ЕВСЕЕВ РУДОЛЬФ КИРИЛЛОВИЧ, САЗОНОВ АРЕФИЙ СЕМЕНОВИЧ

МПК / Метки

Код ссылки

Автономная система электрооборудования с вентильным электродвигателем

Похожие патенты

К рангов приоритетов 4 р содержит третью группу элементов И, группу элементов НЕ и третью группу элементов ИЛИ, причем старший по рангу К -вход узла соединен с его К-выходом,(К)-вход связан с первым входом элемента И третьей группы, выход которого подсоединен к (К) - выходу узла, а второй вход этого элемента И связанс выходом элемента НЕ, вход которого соединен с К входом узла, последующие (К)-входы узла связаны с соответствующими первьми входами элементов И третьей группы, выходы которых являются выходами (К) рангов приоритета узла, а вторые входы этих элементов И третьей 55 группы соединены с выходами элементов НЕ, входы которых связаны с соответствующими выходами элементов ИЛИ третьей группы, входы последних связа" ны с предыдущими...