Датчик положения ротора
Датчик положения ротора (ДПР) реализует обратную связь по положению ротора. Его работа может быть основана на разных принципах — фотоэлектрическом, индуктивном,трансформаторном, наэффекте Холлаи проч. Наибольшую популярность приобрели датчики Холла и фотоэлектрические датчики, обладающие низкой инерционностью и обеспечивающие малые запаздывания в канале обратной связи по положению ротора.
Обычно фотоэлектрический датчик, содержит три неподвижных фотоприёмника, между которыми находится вращающаяся маска с рисками, жёстко закреплённая на валу ротора ВД. Упрощённо датчик показан на рис. 1, где маска изображена серым цветом, а светодиоды — жёлтым. Таким образом, ДПР обеспечивает информацию о текущем положении ротора ВД для системы управления.
Рис. 1. Структура вентильного двигателя: 1 – задняя крышка, 2 – печатная плата датчиков, 3 – датчики Холла, 4 – втулка подшипника, 5 – подшипник, 6 – вал,7 – магниты ротора, 8 – изолирующее кольцо, 9 – обмотка, 10 – тарельчатая пружина, 11 – промежуточная втулка, 12 – изоляция, 13 – корпус, 14 – провода.
50. Силовая электроника вентильного двигателя
Система управления содержит микроконтроллер, контролирующий силовой инвертор согласно заданной программе управления. В качестве силовых ключей инвертора обычно применяют транзисторы MOSFET (ВД малых и средних мощностей) или IGBT (ВД средних и больших мощностей), реже тиристоры.
Основываясь на информации, полученной от ДПР, микроконтроллер формирует ШИМ-сигналы, которые усиливаются инвертором и подаются на обмотку синхронной машины.
51. Управляющая электроника вентильного двигателя
Система управления содержит силовые ключи, часто тиристорыилисиловые транзисторы с изолированным затвором. Из них собираетсяинверторнапряжения или инвертор тока. Система управления ключами обычнореализуется на основе использованиямикроконтроллера, в связи с большим количество вычислительныхопераций по управлению двигателем.
Система управления вентильным электродвигателем
Вращение вентильного электродвигателя обеспечивает специальная электронная система управления. Ее общее название — инвертор (преобразователь).
Инвертором в данном случае называют электронную систему, осуществляющую подачу напряжения частота которого не зависит от частоты питающего напряжения на обмотки электродвигателя.
Инвертором оснащаются не только синхронные (вентильные) электродвигатели, но асинхронные — там где требуется регулирование частоты вращения.
Существуют два основных подхода (принципа) в управлении вентильными электродвигателями:
1. Управления коммутацией (6-ти пульсное управление); 2. Векторное управление.
Управление коммутацией
При управлении коммутацией (при трехфазной системе подключения) постоянное напряжение подается одновременно только на две фазы обмотки статора, третья обмотка остается не подключенной к источнику тока. При работе электродвигателя система управления следит за положением ротора, подавая напряжение определенной полярности на соответствующую пару обмоток таким образом, чтобы возбуждаемое в статоре магнитное поле увлекало за собой ротор, заставляя его вращаться. Частота вращения ротора регулируется величиной коммутируемого к обмоткам ротора постоянного напряжения. При этом частота коммутаций подстраивается под изменение частоты вращения ротора.
Не частота вращения ротора изменяется от частоты вращения поля, а поле подстраивается под частоту вращения ротора. Инвертор регулирует частоту вращения ротора изменяя ток и/или напряжение коммутируемое к обмоткам.
Определение положения ротора
Для определения положения ротора существуют различные методы:
— при помощи датчиков (например датчика Холла); — бездатчиковый.
В погружных вентильных электродвигателях используется бездатчиковый метод определения положения ротора, т.к. применение датчиков в данном случае невозможно в силу специфики эксплуатации.
В бездатчиковом методе при вращении двигателя определение положение ротора осуществляется по значению ЭДС, наводимой в свободной фазе (к которой в данной момент не подводится питающее напряжение) обмотки статора. При движении ротора ЭДС в свободной фазе меняется и переход ее через 0 является «отметкой» положения ротора.
При таком методе управления в обмотках статора течет ток по форме близкий к трапецеидальному.
Данный способ управления характеризует простота и надежность, что позволяет управлять вентильным электродвигателем не только на коротких расстояниях, но и на длинных линиях — сотни метров и даже километры, что актуально для нефтяного погружного оборудования.
Векторное управление
Суть векторного управления в построении точной математической модели электродвигателя и управление ею — подачей частотно-модулируемого напряжение одновременно на все фазы двигателя, такой частоты и величины (для каждой из фаз эти параметры будут индивидуальны в каждый момент времени), чтобы создаваемый в обмотках статора синусоидальный ток обеспечивал вращение ротора в наиболее благоприятных с электрической точки зрения условиях: сдвиг фаз магнитных потоков ротора и статора близок к 90 градусам.
Метод позволяет очень точно управлять электродвигателем. Метод наиболее ресурсоемкий в плане математических вычислений, однако развитие микропроцессорной техники позволяет компенсировать это. Применение его на коротких линиях очень эффективно, однако использование на длинных линиях ставит перед разработчиками множество преград, решение которых — нетривиальная задача.
Контроллер ВД регулирует момент действующий на ротор меняя величину ШИМ.
В отличие от щёточного электродвигателя постоянного тока, коммутация в ВД осуществляется иконтролируется с помощью электроники.
Распространены системы управления, реализующие алгоритмы широтно-импульсного регулирования и широтно-импульсной модуляциипри управлении ВД.
Система, обеспечивающая самый широкий диапазон регулирования скорости — у двигателей с векторным управлением. С помощью преобразователя частоты осуществляется регулирование скорости двигателя иподдержание потокосцепления в машине на заданном уровне.
Особенность регулирования электропривода с векторным управлением — контролируемые координаты,измеренные в неподвижной системе координат преобразуются к вращающейся системе, из них выделяетсяпостоянное значение, пропорциональное составляющим векторов контролируемых параметров, по которымосуществляется формирование управляющих воздействий, далее обратный переход.
Недостатком этих систем является сложность управляющих и функциональных устройств для широкогодиапазона регулирования скорости.
52. Работа вентильного двигателя в режиме генератора
53. Рекуперативное торможение в гибридных автомобилях
|
Режим ускорения |
Режим торможения |
|
|
|
Рекуперацию в гибридных реализовать сложнее, чему виной и небольшая масса, и специфика режима движения. В частности, рекуперативная система торможения крайне неэффективна при движении в плотном потоке с частыми, но небольшими разгонами и торможениями — электродвигатели в таком режиме не обеспечивают достаточного торможения, да и энергии они вырабатывают крайне мало. При длительных разгонах и торможениях, а также при движении с горки рекуперация более эффективна, однако рядовой владелец электромобиля или «гибрида» нечасто выезжает за город или переезжает из города в город.
Поэтому на автомобилях система рекуперативного торможения является на основной, а дополнительной — основное торможение производится с помощью обычных фрикционных тормозов. Кроме того, современные тормоза гибридных и электрических автомобилей — это сложная компьютеризированная система, которая рассчитывает оптимальные режимы торможения, перераспределяет нагрузку между фрикционной и рекуперативной системами торможения, контролирует работу ABS и т.д.
54. Рекуперативное торможение в электромобилях
Устанавливается в автомобилях, которые имеют либо гибридную силовую установку (бензиновый и электрический двигатели), либо полностью электрическую силовую установку (один электродвигатель). Pекуперативная система торможения устанавливается для подзарядки батарей, это определенный вид электрического торможения, при котором те электродвигатели которые толкают автомобиль, при торможении выделяют в бортовую сеть электроэнергию тем самым под заряжая аккумуляторы. То есть простыми словами, когда электромобиль начинает движение, электродвигатели расходуют заряд батареи толкая электромобиль, но при торможении эти же электродвигатели превращаются в генераторы которые под заряжают аккумулятор электромобиля. Такая система, очень эффективна для подзарядки батарей, одно колесо среднего электромобиля (1500 кг), при скорости в 40 — 60 км/ч может выделять до 95 кДж, что очень не мало. У обыкновенного автомобиля, с двигателем внутреннего сгорания, без рекуперативной системы, вся кинетическая энергия расходуется в пустую. Колотки сжимают тормозной диск, замедляя тем самым скорость его вращения, сами в данный момент они нагреваются, преобразуя кинетическую энергию в тепло, то есть фактически тратя в пустую. Эта же система, тратит кинетическую энергию на подзарядку, что очень полезно.
55. Реостатное торможение в тяговых электродвигателях
Реостатное торможение (реостатный тормоз) — вид электрического торможения, при котором электроэнергия, вырабатываемая тяговыми электродвигателями, работающими в генераторном режиме, поглощается на самом подвижном составе в тормозных резисторах.
В режиме реостатного торможения тяговые электродвигатели, как правило, отключаются от контактной сети, а их обмотки возбуждения реверсируются и подключаются к независимому источнику. Обмотки якорей в свою очередь замыкаются на тормозные резисторы. Основное преимущество данного вида торможения перед рекуперативным, заключается в его независимости от напряжения контактной сети, так как потребитель электрической энергии размещён на самом подвижном составе. Благодаря этому реостатное торможение можно применять не только на электровозах и электропоездах, но и на любом другом подвижном составе с тяговыми электродвигателями, например на тепловозах. Также реостатное торможение возможно применять в достаточно большом диапазоне скоростей, из-за чего им оборудованы многие скоростные и высокоскоростные поезда, в том числе электропоезда TGV и ICE. Основной же недостаток реостатного тормоза — дополнительный вес от оборудования (возбудитель, тормозные реостаты) и некоторое усложнение конструкции. Также нужен возбудитель и тормозной переключатель, а вместо тормозных реостатов нужны добавочные резисторы, что с точки зрения сложности конструкции почти одно и то же, при том, что отсутствует экономия в электроэнергии.
Преимущества реостатного торможения перед торможением колодками:
меньший износ колодок и меньший риск их перегрева
начавшийся юз происходит куда более щадящим образом — колесная пара продолжает вращаться, хотя и медленнее, чем требовалось бы для безюзового движения, в то время как при торможении колодками возможна и полная остановка пары
процесс линейный, зависимость тормозного момента от положения органа управления — линейная, что крайне упрощает создание автоматики торможения и снижения скорости, такой как автоматика МВПС ЭР2Р (ЭР2T), а также аппаратура БУРТ электровозов ВЛ80. Зависимость же тормозного момента от давления в магистрали для пневматического тормоза сильно нелинейна.
Реостатный тормоз редко применяют на электровозах постоянного тока, ибо там весьма несложна и схема рекуперативного тормоза, однако проблемы рекуперативного торможения в пассажирских локомотивах и в электровозах переменного тока привели к тому, что производились пассажирские электровозы постоянного тока (ЧС2Т, ЧС6, ЧС7) и грузовые электровозы переменного тока (ВЛ80Т и ВЛ80С) с реостатным торможением.
В настоящее время реостатный тормоз активно применяется на подвижном составе трамвая, метрополитена, магистральных и промышленных электровозах (ЧС2т, ЧС6, ВЛ80Т и ВЛ80С), пригородных и междугородних электропоездах (ЭР9Т, ЭР200), а также на тепловозах (2ТЭ116, ТЭП70).
На электропоездах постоянного тока чаще используют рекуперативно-реостатное торможение — гибрид реостатного и рекуперативного видов торможения.
56. Система зарядки тяговых аккумуляторов электромобилей и подзаряжаемых гибридов
Например, используется станция мощностью 22 кВт, а бортовое зарядное устройство имеет мощность 3.3 кВт, в случае тяговая батарея электромобиля будет заряжаться мощностью 3.3 кВт. Для определения времени, необходимого для зарядки конкретного электромобиля переменным током, следует разделить полезную емкость тяговой батареи на мощность бортового зарядного устройства. В реальной жизни времени потребуется чуть больше, т. к. процесс зарядки литий-ионных аккумуляторов не линеен и в процессе зарядки возникают небольшие потери.При зарядке электромобиля от станции постоянного тока всей процедурой преобразования занимается сама станция. Сегодня станции переменного тока принято называть зарядными станциями стандартной зарядки. А станции постоянного тока – комплексами экспресс-зарядки или быстрыми зарядными станциями.
Режимы зарядки и кабели
Допустимые режимы зарядки описаны в разделе 1 стандарта IEC 62196, который определяет следующие возможные варианты:
Mode 1 – зарядка переменным током от бытовой сети; Mode 2 – зарядка переменным током от бытовой сети с использованием системы защиты внутри кабеля; Mode 3 – одно- или трехфазная зарядка переменным током с использованием специального разъема, в котором реализована система защиты и контроля за ходом зарядки электромобиля; Mode 4 – быстрая зарядка постоянным током. Режим Mode 1 последнее время практически не применяется на серийных электромобилях, т. к. не обеспечивает требуемого уровня безопасности.
Режим Mode 2 представляет собой штатный кабель для зарядки электромобиля от бытовой сети, поставляемый с любым серийным электромобилем.
«Коробочка» на снимке и есть система защиты. Она следит за тем, чтобы была хорошая «земля», чтобы не было короткого замыкания и перегрева кабеля. Например, для американского Chevrolet Volt или Nissan Leaf купить переходник “как на iPhone” не получится, придется заменить этот кабель на европейский. На одном конце такого кабеля расположена бытовая розетка, на другом разъем Типа 1 или Типа 2
Режим Mode 3 предполагает использование зарядной станции переменного тока и специального одно- или трехфазного кабеля. При зарядке электромобиля процесс коммуникаций с зарядной станцией осуществляется посредством сигнальных контактов в разъемах.
При этом раздел 2 стандарта IEC 62196 описывает два типа применяемых разъемов:
Режим Mode 3 Тип 1 — однофазные разъемы. Максимальная допустимая мощность 1х32А, 7.2 кВт. Другое название данного разъема SAE J1772.
Режим Mode 3 Тип 2 — трехфазные разъемы. Другое распространенное название такого разъема «Mennekes» — по названию разработавшей его компании. Максимальная допустимая мощность 3х64А, 43 кВт.
Зарядные станции переменного тока, применяемые в Украине и Европе используют разъем Тип 2. Однако при этом, с помощью таких зарядных станций возможно заряжать электромобили, оборудованые как разъемом Тип 2, так и разъемом Тип 1. Осуществление такой зарядки возможно за счет кабеля. На снимках ниже представлены кабели «Тип 2 – Тип 1» и «Тип 2 – Тип 2».
При использовании зарядной станции режима Mode 3 нужно обязательно обращать внимание на то, какая имеется фактически доступная мощность. Обычно эта информация указывается на конкретной станции (наклейка) или в системе коммерческого оператора. Большинство публично-доступных зарядных станций режима Mode 3 имеют максимальную мощность 22 кВт.
Режим Mode 4 предполагает использование зарядных станций постоянного тока. Сегодня существует два вида таких станций – CHAdeMO и CCS (Combined Charging System). Альтернативные названия CHAdeMO – System A, CCS – COMBO2, System C. Также разъем CHAdeMO еще часто называют Yazaki, по имени компании разработчика. Обобщающие термины – комплексы экспресс-зарядки или быстрые зарядные станции.
CHAdeMO — изначально японская разработка, сегодня применяется на электромобилях Nissan, Mitsubishi Motors и Kia.
CCS – европейская разработка, применяется на электромобилях BMW и VAG.
CHAdeMO и CCS используют разные виды разъемов и коммуникационных протоколов. Даже технически CHAdeMO использует CAN, а CCS — PLC для обмена данными между зарядной станцией и электромобилем. Тем не менее сегодня на ранке представлены комплексы экспресс-зарядки в которых оба этих стандарта совмещены в одном устройстве.
CHAdeMO и CCS используют разные виды разъемов и коммуникационных протоколов. Даже технически CHAdeMO использует CAN, а CCS — PLC для обмена данными между зарядной станцией и электромобилем. Тем не менее сегодня на ранке представлены комплексы экспресс-зарядки в которых оба этих стандарта совмещены в одном устройстве.
Обе разновидности режима Mode 4 подразумевают максимальную мощность до 100 кВт, однако практически на рынке сегодня представлено оборудование с мощностями 20, 44 и 50 кВт.
Технически режим Mode 4 позволяет зарядить тяговую батарею электромобиля до 100%, однако физически зарядка последних примерно 20% емкости требует существенно больше времени, т. к. идет балансировка ячеек (отдельных аккумуляторов тяговой батареи). В этой связи большинство станций настроены на заряд тяговой батареи до 80% ее емкости для оптимизации временных затрат.
В реальной жизни, в летних условиях, зарядка например Nissan Leaf от 0 до 80% займет 31 минуту.
Особняком в ряду серийно выпускаемых электромобилей стоит Tesla Motors. Компания развивает собственную сеть комплексов экспресс-зарядки – Tesla Superchager.
Это закрытый (проприетарный) стандарт Tesla Motors зарядки постоянным током, станции совместимы только с электромобилями производства Tesla Motors. Сегодня Tesla Supercharger имеет мощность 120 кВт.
Неотъемлемым атрибутом эксплуатации электромобиля является необходимость периодической зарядки аккумуляторной батареи, которая занимает много времени. Решение данной проблемы реализуется по нескольким направлениям:
нормальная зарядка аккумуляторной батареи (осуществляется от бытовой электрической сети мощностью 3-3,5 кВт, предполагает установку на электромобиле специального зарядного устройства, продолжительность до полной зарядки батареи составляет 8 часов);
ускоренная зарядка аккумуляторной батареи (производится на специальных станциях мощностью до 50 кВт, продолжительность зарядки до 80% емкости батареи составляет 30 минут);
замена разряженной аккумуляторной батареи на заряженную батарею (выполняется автоматически на специальных обменных станциях).
57. Преобразователи напряжения в гибридных автомобилях и электромобилях
Инвертор преобразует высокое напряжение постоянного тока аккумуляторной батареи в трехфазное напряжение переменного тока, необходимое для питания электродвигателя.
Инвертор, установленный между мотором и батареей, изменяет частоту и другие параметры тока для управления двигателем: снижает и повышает обороты, переводит в режим рекуперации, дает реверс для заднего хода. Он же преобразовывает постоянный ток батареи в переменный ток для питания мотора и наоборот.
Преобразователь постоянного тока обеспечивает зарядку дополнительной двенадцативольтовой аккумуляторной батареи, которая используется для питания различных потребителей электроэнергии (электроусилитель рулевого управления, электрический отопитель салона, кондиционер, система освещения,стеклоочистители, аудиосистема и др.)
58. Корректоры коэффициента мощности в зарядных устройствах
59. Электропривод вспомогательного оборудования автомобиля
60. Мультиплексная система проводки
Она представляет собой две шины, соединяющие все потребители и органы управления. Одна из них имеет большое сечение и по ней подходит питание ко всем приборам. Вторая имеет не большое сечение и по ней проходит управляющий сигнал от органов управления на включение или выключение того или иного потребителя. При воздействии на любой выключатель его мультиплексор формирует сигнал на включение или выключение соответствующего потребителя зашифрованный двоичным кодом. Проходя по управляющей шине код улавливается демультиплексором, расшифровывается им, и если он соответствует данному потребителю, то он включается или выключается. В этой системе есть ещё один электронный блок осуществляющий синхронизацию прохождения сигналов. В качестве управляющей шины может быть применён световод. В этом случае сигнал передаётся при помощи световых импульсов.
61. Диагностическое оборудование и приборы