Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании гибридных автомобилей и электромобилей. Устройство содержит источник электроэнергии, подключенный к накопительному конденсатору. Приводной двигатель переменного тока состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с трехфазными обмотками. Последовательно с каждой из обмоток статора включена дополнительная обмотка, а точки соединения указанных обмоток подключены соответственно к выводам выпрямителя, который совместно с инвертором входит в состав управляемого преобразователя. При включении источника питания начинают коммутироваться силовые ключи инвертора в соответствии с выходными сигналами блока управления. Автомобиль осуществляет поступательное движение с регулируемой скоростью, задаваемой блоком управления инвертором. При подаче команды «торможение» контроллер обеспечивает поступление управляющих сигналов на выпрямитель. В накопительный конденсатор поступает ток рекуперации. При протекании тока по обмоткам развивается тормозящий момент, а энергия торможения передается в накопительный конденсатор, который заряжается до напряжения большего, чем напряжение источника электропитания. По окончании торможения накопленная энергия конденсатора используется для поступательного движения автомобиля. Технический результат заключается в повышении энергетической эффективности электромобиля и обеспечении его простой и технологичной конструкции с оптимальными массогабаритными показателями. 1 ил.
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проектировании гибридных автомобилей и электромобилей.
Известны гибридные автомобили на топливных элементах, содержащие аккумуляторную батарею, присоединенную через управляемый преобразователь к приводному двигателю колес (1). В устройстве предусмотрена организация цепей для использования энергии торможения колес. Однако установка имеет низкую энергетическую эффективность. Это объясняется тем, что при рекуперационном торможении генерируемое напряжение падает, а накопленный заряд в батарее растет, в результате чего по мере выравнивания потенциалов батареи и генератора темп зарядки батареи замедляется, а затем и вовсе прекращается.
Наиболее близким к изобретению устройством является электропривод колес автомобиля (2), содержащий аккумуляторную батарею, которая подключена к приводному двигателю через управляемый преобразователь напряжения. Для повышения эффективности силовой установки и улучшения ее энергетических характеристик управляемый преобразователь выполнен с возможностью передачи электроэнергии на приводной двигатель с понижающим коэффициентом преобразования напряжения, а рекуперацию электроэнергии с приводного двигателя при его торможении - с повышающим коэффициентом преобразования напряжения. В известном устройстве роль накопительного элемента, «принимающего» энергию рекуперации, выполняет аккумуляторная батарея, однако ее функцию может выполнять и другой энергонакопительный блок, например блок молекулярных конденсаторов. В известной схеме может быть задействован как двигатель постоянного тока, так и переменного тока. При использовании в качестве приводного двигателя электрической машины переменного тока необходимо введение в известную схему (2) преобразователя постоянного напряжения в переменное (следуя традиционной методике преобразования сигналов). Однако это ведет к усложнению конструкции преобразовательного блока и, следовательно, усложнению конструкции всего устройства, увеличению его стоимости и габаритов.
Техническим результатом, которого можно достичь при использовании изобретения, является упрощение конструкции, снижение стоимости и улучшение массогабаритных показателей.
Технический результат достигается за счет того, что в электроприводе колес автомобиля, содержащем источник электропитания, трехфазный электродвигатель переменного тока с ротором на постоянных магнитах и управляемый преобразователь, регулирующий режим работы электродвигателя (2), управляемый преобразователь состоит из мостовых трехфазных инвертора и выпрямителя, выводы постоянного тока которых подключены к накопительному конденсатору, присоединенному к источнику электропитания, а фазные выводы обмоток статора электродвигателя переменного тока подсоединены к входным выводам переменного тока инвертора, при этом согласно - последовательно с каждой из обмоток статора включена дополнительная обмотка, причем точки соединения указанных обмоток подключены соответственно к выводам переменного тока выпрямителя, полярность выводов постоянного тока которого встречная по отношению к полярности подсоединенного к ним источника электропитания, при этом управляющие входы блоков управления инвертора и выпрямителя соединены соответственно с выходами управляемого контроллера, выполненного обеспечивающим при подаче на его управляющий вход команды «скорость» либо «торможение» разрешение поступления управляющих сигналов на инвертор либо выпрямитель с одновременным блокированием поступления управляющих импульсов на выпрямитель либо инвертор соответственно.
На чертеже представлена конструктивная схема устройства.
Устройство содержит источник электроэнергии 1, например аккумуляторную батарею, которая подключена к накопительному конденсатору 2, подсоединенному к выводам питания управляемого преобразователя напряжения, регулирующего режимом работы приводного двигателя переменного тока 3. В схеме электропривода реализована возможность передачи электроэнергии на приводной двигатель 3 с пониженным напряжением и рекуперации электроэнергии с приводного двигателя 3 при его торможении с повышенным напряжением. Приводной двигатель 3 переменного тока состоит из ротора 4 с постоянными магнитами и статора с трехфазными обмотками 5. Согласно - последовательно с каждой из трехфазных обмоток W 1 статора включена дополнительная обмотка W 2 , а точки соединения указанных обмоток подключены соответственно к выводам переменного тока выпрямителя 6, который совместно с инвертором 7 входит в состав управляемого преобразователя. Управляющие входы инвертора 7 и выпрямителя 6 присоединены соответственно к выходам блоков управления 8 и 9, управляющие входы которых соединены с выходами управляемого контроллера 10, выполненного обеспечивающим разрешение поступления управляющих сигналов на схему инвертора либо выпрямителя с одновременным блокированием поступления управляющих импульсов на схему выпрямителя либо инвертора при подаче команды «скорость» либо «торможение» соответственно.
Устройство работает следующим образом.
При включении источника питания и подаче команды «Скорость» контроллер 10 формирует выходной сигнал, который разрешает поступление управляющих сигналов с блока управления 8 на инвертор 7 и одновременно блокирует работу блока управления 9, в результате чего силовые ключи инвертора 7 начинают коммутироваться в соответствии с выходными сигналами блока управления 8. За счет протекания токов в обмотках W 1 статора 5 электродвигателя возникает вращающееся магнитное поле, под действием которого начинает вращаться ротор 4 на постоянных магнитах. Блок управления 8 осуществляет высокочастотную модуляцию основной гармоники и регулирует величину напряжения и его частоту, используя, например, управление по вектору поля. Вращение ротора 4 непосредственно или через редуктор передается на колеса. Автомобиль осуществляет поступательное движение с регулируемой скоростью, задаваемой блоком управления 8, при этом идет прямая передача энергии на приводной двигатель.
По приходу сигнала «Торможение» контроллер 10 блокирует работу блока управления 8 и включает блок 9. При торможении под действием сил инерции колеса продолжают свое движение, вращая ротор 4 электрической машины 3, которая переходит в режим генерирования энергии. На вход выпрямителя 6 поступает суммарное напряжение обмоток W 1 , W 2 статора, а в накопительный конденсатор 2 поступает ток рекуперации. Напряжение на конденсаторе 2 возрастает до величины приведенного суммарного напряжения на обмотках W 1 , W 2 . При протекании тока по обмоткам W 1 , W 2 развивается тормозящий момент, а энергия торможения форсированно передается в накопительный конденсатор 2, который заряжается до напряжения большего, чем напряжение источника электропитания 1. При этом доля рекуперируемой энергии значительно увеличивается, т.к. величина энергии, накопленной в конденсаторе 2, находится в квадратичной зависимости от его напряжения.
По окончании торможения накопленная энергия конденсатора 2 используется для поступательного движения автомобиля.
Таким образом, управляемый преобразователь совместно с трехфазными обмотками W 1 , W 1 обеспечивает передачу электроэнергии на приводной двигатель 3 с пониженным напряжением и рекуперацию электроэнергии с приводного двигателя 3 при его торможении с повышенным напряжением. Устройство имеет высокий кпд, т.к. позволяет рекуперировать не менее 70% энергии торможения.
Высокие энергетические показатели устройства достигнуты при одновременном упрощении конструкции, снижении ее себестоимости и улучшении массогабаритных показателей.
Высокий кпд, простота конструкции и хорошие массогабаритные показатели данного устройства позволяют ему быть наиболее предпочтительным при проектировании гибридных автомобилей и электромобилей.
Источники информации, принятые во внимание
1. Ж. «АвтоМир» №1, 2007 г., с.9.
2. Ж. «АвтоМир» №48, 2007 г., с.8.
Электропривод колес автомобиля, содержащий источник электропитания, трехфазный электродвигатель переменного тока с ротором на постоянных магнитах и управляемый преобразователь, регулирующий режим работы электродвигателя, отличающийся тем, что управляемый преобразователь состоит из мостовых трехфазных инвертора и выпрямителя, выводы постоянного тока которых подключены к накопительному конденсатору, присоединенному к источнику электропитания, а фазные выводы обмоток статора электродвигателя переменного тока подсоединены к входным выводам переменного тока инвертора, при этом согласно-последовательно с каждой из обмоток статора включена дополнительная обмотка, причем точки соединения указанных обмоток подключены соответственно к выводам переменного тока выпрямителя, полярность выводов постоянного тока которого встречная по отношению к полярности подсоединенного к ним источника электропитания, при этом управляющие входы блоков управления инвертора и выпрямителя соединены соответственно с выходами управляемого контроллера, выполненного обеспечивающим при подаче на его управляющий вход команды «скорость» либо «торможение» разрешение поступления управляющих сигналов на инвертор либо выпрямитель с одновременным блокированием поступления управляющих импульсов на выпрямитель либо инвертор соответственно.
НАМИ-0189Э показана на рис. 3.6.
Рис. 3.6. Схема электропривода с переключением секций батареи и регулированием по возбуждению
Тяговый двигатель М питается от двух блоков тяговой батареи GB1 и GB2, которые включаются в его цепь либо параллельно, либо последовательно с помощью контакторов КБ. В якорной цепи двигателя, кроме того, находятся пусковые резисторы R1 и R2, шунтируемые контактором КШ. Ток возбуждения двигателя регулируется тиристорным импульсным преобразователем, содержащим основной тиристор V2 и коммутирующий - V3. Реверс двигателя производится контактором КР, переключающим полярность напряжения на обмотке возбуждения ОВ. Режимы работы электропривода задаются специальным командоконтроллером. Этот аппарат, управляемый водителем, содержит переключатели режимов, а также индуктивный задатчик, положение которого определяет с помощью блока управления Б У величину тока возбуждения. В свою очередь, ток возбуждения двигателя определяет величину тока якоря
(3.3)
а также динамический момент на валу двигателя
В установившихся режимах работы двигателя Мдин = 0 и из выражения (3.4) следует, что ток возбуждения определяет частоту вращения согласно формуле
(3.5)
где UП - напряжение питания цепи якоря двигателя; причем
№1 - когда КБ выключен
№2 - когда КБ включен
С помощью блока управления БУ отрицательными обратными связями по току батареи и направлению на обмотке возбуждения двигателя осуществляется стабилизация заданных значений тока возбуждения и тока батареи, а тем самым и режимов движения согласно выражениям (3.4) и (3.5).
При трогании электромобиля блоки батареи соединены параллельно, включением контактора К начинается пуск двигателя на первой реостатной ступени через резистор RI. Возбуждение двигателя устанавливается при этом близким к максимальному. Дальнейшее нажатие на педаль хода и воздействие тем самым на командоконтроллер при разгоне вызывает включение второй реостатной ступени путем подключения параллельно резисторы RI резистора #2 через тиристор VI. При снижении пускового тока включается контактор КШ и закорачивает пусковые реостаты. Тиристор VI при этом возвращается в отключенное состояние. Дальнейшее управление производится изменением тока возбуждения. При достижении скорости 30 км/ч командо-контроллером осуществляется переключение блоков батареи на последовательное соединение и продолжается управление посредством изменения тока возбуждения.
Рекуперативное торможение наступает при увеличении тока возбуждения и возрастании из-за этого ЭДС двигателя. Через диод V начинает протекать ток заряда батареи как при последовательном соединении блоков, так и при параллельном. Диапазон возможного рекуперативного генераторного торможения Др зависит от используемого ослабления потока возбуждения двигателя и может быть определен из следующей зависимости.
Прогресс не стоит на месте и все движется вперед и развивается. Это относится и к системам электроприводов. Появление частотно-регулируемых электроприводов и различных способов управления ими вносит свои коррективы в степень развития этих устройств. И это привело к тому, что асинхронный электропривод постепенно начинает заменять машины постоянного тока в тяговых системах – электропоездах, троллейбусах, магистральных электровозах. Не исключения и автомобильная техника.
Современные реалии таковы, что эксплуатация и обслуживание приводов постоянного тока в экскаваторах и большегрузных самосвалах сопряжено с целым рядом неудобств, но современное развитие науки, а также наличие необходимой элементной базы значительно облегчило решение этой задачи. Именно поэтому в 2005 году конструкторы «Силовых машин» приступили к созданию новой линейки электроприводов – асинхронных (частотных). Они разрабатываются специально для производимых ОАО «БЕЛАЗ» погрузчиков и карьерных самосвалов, а также мощных экскаваторов, выпускаемых заводами «Уралмаш» и «Ижорские заводы».
Тяговый асинхронный электропривод
Система асинхронный двигатель – преобразователь частоты на сегодняшний день, пожалуй, самая сложная из систем электроприводов. В основе тягового асинхронного привода лежит векторное управление. Также необходимо обеспечить многоуровневую систему защит и сигнализаций для безопасной работы систем, и, соответственно системы программного обеспечения и визуализации для обеспечения возможности мониторинга и настроек системы.
Но помимо значительного усложнения системы управления тяговым асинхронным электроприводом он обладает значительными преимуществами, по сравнению со старыми системами постоянного тока, которые использовались в карьерных самосвалах ОАО «БЕЛАЗ»:
- Отсутствие коллекторно-щеточного узла, присущего системе , что уменьшает затраты на эксплуатацию значительно.
- Кроме того, тяговый электродвигатель расположен так, что электрику необходимо буквально протискиваться к нему, что тоже предъявляет особые требования к обслуживающему персоналу.
- При неудовлетворительном состоянии коллектора могут понадобится более сложные ремонтные работы – а это простой и убытки. В асинхронной машине коллектора просто нет.
- При работе на постоянном токе переключения между тяговым и тормозным режимом производилось механически – с помощью контакторов. В системе с АД переключения производятся силовыми вентилями, с помощью алгоритмов управления ПЧ.
Стоимость. За и против
Стоимость тягового асинхронного электропривода довольно высока и это отпугивает. Но помимо затрат на приобретение, монтаж и пуско-наладку существуют затраты и на эксплуатацию. За счет того, что щеточно-коллекторный узел в АД с КЗ ротором
отсутствует, то значительно снижаются затраты на эксплуатацию. Ведь основным слабым местом машин постоянного тока является именно коллекторный узел, который необходимо периодически чистить, менять щетки, а иногда и сам коллектор. Также асинхронники меньше по габаритным размерам, чем ДПТ. Преобразователи частоты оборудованы устройствами диагностики и сигнализации, что помогает находить и устранять неисправности. Также при выходе из строя какого-то элемента достаточно заменить ячейку или силовой модуль устройства, и оно готово к работе.
В двадцать первом веке, похоже, сбудется мечта человечества. Электрические автомобили еще не вытеснили технику на углеводородных видах топлива, но постепенно появляются более совершенные модели. За последние годы многие автопроизводители предложили на суд экспертного сообщества свои разработки электрокаров.
Некоторые пошли в серийное производство и успели завоевать признание у любителей и профессионалов. В топ-10 лучших электрокаров современности вошли следующие модели.
Chevy Volt
Достаточно известным автомобилем, в котором используется электропривод, является Chevy Volt. Это не чистый электрокар, в нем наряду с электромотором имеется газовый силовой агрегат. Автомобиль предназначен для передвижения по городским улицам. Емкость аккумуляторной батареи позволяет проехать без остановок 61 км. Volt ОБЗОР Chevrolet ОБЗОР:Chevrolet Spark EV
Не так давно на автомобильном рынке появился доступный по цене и простой по конструкции электрокар Chevrolet Spark EV. Модель производится в двух исполнениях: с электромотором и гибридная версия. Стоимость данной модели составляет 26 тыс. долларов. Длительность поездки на электроприводе ограничивается отметкой 132 км. Chevrolet Spark EV 2016 - Full review:Ford Fusion Energi
Уже около пяти лет колесит по дорогам разных стран гибридный автомобиль Ford Fusion Energi. Он стал результатом тесного сотрудничества автопроизводителя и разработчика электрокаров. В качестве источников питания выступают литий-ионные батареи и газовые баллоны. Запаса емкости аккумулятора хватает на пробег всего 33 км. Ford Fusion Energi Plug In Hybrid:Ford Focus Electric
Результатом программы электризации компании Ford стал автомобиль Focus Electric. Машина стала модернизацией популярного авто, в который была внедрена аккумуляторная батарея и гибридный силовой агрегат. Электромобиль прекрасно подходит для езды по городу. На электротяге машина может пройти 121 км. Тест-драйв Форд Фокус Електра:Fiat 500e
Особое место среди электрических автомобилей занимает новинка из Италии Fiat 500e. Малолитражка превосходно чувствует себя в условиях ограниченного городского пространства. Она укомплектована новейшим электромотором, имеет элегантный внешний вид. Салон автомобиля не только комфортный для езды, но и безопасный. Fiat 500e Test Drive Review:Honda Accord Plug-In
Признанным лидером среди автомобилей с гибридным силовым агрегатом является Honda Accord Plug-In. Достаточно немного покататься на этой машине, чтобы ощутить все прелести автомобилей с электроприводом. Honda Accord Plug-In хорошо зарекомендовала себя не только в мегаполисах, но и на загородных автотрассах. Honda Accord Plug In Hybrid видеопрезентация:Porsche Panamera S Hybrid E
Разработкой гибридных автомобилей занимается и знаменитая компания Porsche. Представленная автомобилистам версия Panamera S Hybrid E обладает отличными техническими характеристиками, хотя электрическая часть считается слабым местом в машине. В отличие от многих электрических конкурентов у Panamera S Hybrid E исключительно привлекательный дизайн. Porsche Panamera S e-Hybrid: Green Speed - XCAR:BMW i3
Успешной баварской разработкой стал электромобиль BMW i3. Автомобиль получился настолько современным, что напоминает болид из фантастического фильма. У машины запоминающийся дизайн, а пробег на электрическом приводе составляет 160 км. BMW i3 - Большой тест-драйв (видеоверсия):Tesla Model S
Самых больших достижений в области изготовления электрических автомобилей достигла компания Tesla. Разработка Model S представляет собой экологически чистую модель в кузове седан. Несколько отпугивает потенциальных покупателей стоимость электрокара, которая достигает 70 тыс. долларов. Зато Tesla Model S может пройти без дополнительной зарядки аккумулятора 426 км. Tesla Model S - Большой тест-драйв (видеоверсия):Tesla Model X
Самым роскошным электромобилем в настоящее время считается Tesla Model X. Благодаря инновационным разработкам изобретателем из Tesla Motors удалось получить чистый автомобиль, который способен преодолеть 414 км. Однако приобрести это чудо инженерной мысли могут только богатые люди. Есть несколько модификаций, которые отличаются комплектацией.- Комплектация 70D обойдется покупателю в 80 тыс. долларов. Благодаря мощному аккумулятору (70 кВт⋅ч) Тесла может проехать 345 км.
- Комплектация 90D оценивается в 132 тыс. долларов. Машина оснащается аккумулятором 90 кВт⋅ч, он обеспечивает пробег 414 км.
- Приобрести Tesla Model X в комплектации P90D можно за 140 тыс. долларов. Мощность аккумулятора (90 кВт⋅ч) распределяется на две оси, обеспечивая великолепную динамику разгона (3,8 с до 96 км/ч). Без подзарядки машина может преодолеть 402 км.
- габаритный аккумулятор занимает много места в авто;
- зимой ухудшаются свойства батареи;
- срок службы аккумуляторов ограничивается 2-3 годами;
- для обогрева салона требуется дополнительная энергия.