Электромеханический преобразователь комбинированной энергетическ


На правах рукописи

Ежова Елена Владимировна

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КОМБИНИРОВАННОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ГИБРИДНОГО АВТОМОБИЛЯ

Специальность 05.09.01 — Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара – 2006

Работа выполнена на кафедре “Электротехническое инженерно-педагогическое образование“ Самарского государственного технического университета.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Грачев Павел Юрьевич

Самарский государственный технический

университет

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

зав. кафедрой «Электромеханика»

Никиян Николай Гагикович

Оренбургский государственный

университет

кандидат технических наук, доцент

Северин Александр Александрович

Тольяттинский государственный

университет

Ведущая организация: НПЦ «Инфотранс», г.Самара

Защита состоится « 1 » ноября 2006 года в 10 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.217.04 при Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) по адресу: 443100, г.Самара, ул.Молодогвардейская 244, СамГТУ, Главный корпус, ауд. 200.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СамГТУ.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 443100, г.Самара, ул.Молодогвардейская 244, СамГТУ, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д.212.217.04; факс (846) 278-44-00; e-mail: [email protected]

Автореферат разослан « 27 » сентября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д.212.217.04

кандидат технических наук, доцент Е.А.Кротков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Диссертация посвящена разработке конструкции и исследованию режимов работы электромеханической части комбинированной энергоустановки для автомобилей типа ВАЗ.

Актуальность темы. Для современного автомобиля характерна тенденция объединения функциональных систем. Развитие электроники, а также рост требуемой от генератора мощности позволяет объединить элементы системы пуска и электроснабжения в едином устройстве – стартер-генераторе. Это электрическая машина (ЭМ), при пуске работающая электродвигателем, а в нормальном рабочем режиме – генератором.

Такое совмещение позволяет отказаться от ряда устройств, устанавливаемых обычно на двигателе автомобиля (маховика, механизма привода стартера), а также расширить функции, выполняемые обычно генератором и стартером. Например, совместно с тормозной системой осуществлять торможение автомобиля с рекуперацией энергии в емкостной накопитель энергии (ЕНЭ), совместно с ЕНЭ служить демпфером при работе двигателя, работать в режиме «стоп-старт» (при остановке автомобиля выключать двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и осуществлять бесшумный и быстрый новый пуск). В определенных ситуациях возможно движение автомобиля на электрической тяге за счет энергии ЭМ. Следует отметить экономию бензина на 15-20 %.

Особенно важным является вопрос экологии. Увеличение мощности стартер-генератора в комбинированной энергетической установке (КЭУ) гибридного автомобиля позволяет снизить токсичные выбросы в атмосферу за счет трогания автомобиля на электрической тяге и обеспечения экономичного режима работы двигателя внутреннего сгорания.

В этой связи актуальными являются задачи проектирования электрической машины КЭУ и исследования ее режимов работы в составе КЭУ.

Цель работы. Целью работы является усовершенствование конструкции КЭУ для установки ее на отечественный автомобиль типа ВАЗ без существенных изменений в его компоновке, а также повышение эффективности ее работы в статических и динамических режимах.

Задачи исследования. В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи:

проведение критического анализа известных технических решений в области создания гибридных автомобилей со стартер-генераторами коленвалового типа и с редуктором;

разработка функциональной схемы электромеханической части комбинированной энергоустановки;

разработка методики электромагнитного расчета и расчет специальной асинхронной машины КЭУ;

построение математической модели силовой электромеханической части КЭУ;

исследование переходных процессов в КЭУ со специальной асинхронной машиной методом компьютерного эксперимента;

проверка корректности компьютерного расчета на экспериментальной установке.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи в диссертационной работе использовалось моделирование на компьютере и экспериментальные исследования.

Метод мгновенных значений использовался при разработке математических моделей для анализа переходных процессов в КЭУ, метод полезной составляющей использован при расчете энергетических характеристик, при рассмотрении систем регулирования асинхронной машины в стартерном и генераторном режимах.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

разработаны математические модели предложенной автором КЭУ коленвалового типа для расчета динамических режимов с учетом изменяющихся параметров асинхронной машины (АМ) и емкостного накопителя энергии, а также регулирования напряжения статора АМ;

получены энергетические характеристики асинхронной машины КЭУ при частотном управлении, показывающие, что такая АМ обеспечивает требуемые пусковые моменты в стартерном режиме и электроснабжение потребителей в заданном диапазоне частот вращения вала ДВС в генераторном режиме;

исследованы динамические режимы работы КЭУ с учетом нелинейности параметров АМ и изменения тормозного момента коленчатого вала ДВС;

разработана методика проектирования, учитывающая особенности выполнения ротора, конструкции лобовых частей обмотки статора, магнитопровода АМ.

Практическая ценность:

создан пакет прикладных программ для проектирования специальной АМ для КЭУ;

создан пакет прикладных программ для исследований переходных и установившихся процессов в электромеханической части КЭУ.

Основные положения, выносимые на защиту:

Математические модели электромеханической части КЭУ, учитывающие особенности конструкции обмотки статора, насыщение магнитной цепи машины, подключение ее обмотки статора к источникам электропитания через вентильные преобразователи со ступенчатой формой фазного напряжения, широтно-импульсное регулирование напряжения статора АМ, зависимость момента ДВС от положения коленчатого вала;

Конструкция асинхронной машины комбинированной энергоустановки автомобиля со специальными лобовыми частями обмотки статора, позволяющими установить такую АМ в картер сцепления автомобиля типа ВАЗ без существенных изменений в компоновке узлов автомобиля, а также схемное решение электромеханической части такой установки, получившие патентную защиту в Российской Федерации;

Результаты исследований динамических режимов работы комбинированной энергоустановки с асинхронной машиной, разработанной автором конструкции, показавшие, что такая КЭУ обеспечивает гарантированный запуск ДВС, работу АМ в режиме поддержки и в режиме заряда ЕНЭ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

Международных научно-технических конференциях, «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы», г.Томск, 2003 г.; «Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин», г.Самара, 2003 г.; «Электроприводы переменного тока», г.Екатеринбург, 2005 г.;

IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития», г.Магнитогорск, 2004 г.;

пятом международном симпозиуме ЭЛМАШ-2004, г.Москва, 2004 г.; Международном симпозиуме «Электроника и электрооборудование транспорта», г.Суздаль, 2005 г.;

XI Международной конференции по электрическим машинам, электроприводу и энергетическим системам «ELMA 2005», г.София, Болгария, 2005 г.;

Всероссийском электротехническом конгрессе ВЭЛК — 2005. г.Москва, 2005 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, в том числе 16 статей и материалов докладов, 1 патент Российской Федерации.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 129 наименований и приложения. Работа изложена на 170 страницах основного машинописного текста, содержит 9 таблиц и 58 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, определена ее цель, сформулированы задачи исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор конструктивных решений КЭУ гибридных автомобилей, представлены технические решения по созданию стартер-генераторов коленвалового типа, приведен обзор математических моделей и методов исследования КЭУ.

Критический обзор зарубежных и отечественных разработок в области создания гибридных автомобилей показал, что основным направлением в создании гибридных автомобилей является применение КЭУ, включающей ДВС, электрическую машину и накопитель энергии. В качестве ДВС используют бензиновые, дизельные или газовые двигатели. В данной диссертационной работе рассматривается КЭУ с четырехцилиндровым бензиновым двигателем. В качестве электрической машины КЭУ в данной работе выбрана асинхронная машина с короткозамкнутым ротором. Она бесконтактна, конструктивно более проста и надежна по сравнению с машиной постоянного тока и синхронной машиной, а технология изготовления ее проще, что определяет низкую стоимость АМ, достаточно высокий КПД, возможность управления токами и моментом, обеспечивающего высокую частоту вращения, что позволяет заметно улучшить массообъемные характеристики.

Наиболее целесообразна для автомобилей типа ВАЗ конструкция КЭУ при соосном расположении электрической машины и коленчатого вала ДВС (рис.1). Выбранная автором КЭУ имеет одну муфту сцепления между электрической машиной ЭМ и коробкой перемены передач КПП, что позволяет повысить надежность работы механической части КЭУ.

Рис.1. Соосное расположение электрической машины на коленчатом валу ДВС

Под КЭУ в данной работе подразумевается так называемый «неполный» или «мягкий» гибрид. Преимущества такой конструкции — быстрый пуск, меньшее количество деталей, повышенная мощность генератора. Но небольшая мощность (около 5-ти кВт), а также жесткая связь между валом электрической машины и валом ДВС ограничивают функциональные возможности, которые присущи полным гибридам.

Блок-схема такой КЭУ показана на рис.2. Электрическая часть энергоблока автомобиля состоит из источников энергии – буферного накопителя (емкостного накопителя энергии (ЕНЭ)) напряжением 42В и аккумуляторной батареи (АБ) напряжением 12В, осуществляющей предстартерный заряд ЕНЭ и аварийное питание в случае выхода из строя ЕНЭ или АМ.

Асинхронная машина при пуске автомобиля выполняет функцию стартера, а после разгона ДВС — функцию генератора. Блок питания электрооборудования (БПЭ) предназначен для осуществления электропитания всех потребителей бортовой сети (БС) автомобиля, путем преобразования напряжения на шинах ЕНЭ в напряжения бортовых сетей.

EMBED KOMPAS.FRW

Рис.2. Блок-схема КЭУ

Блок управления асинхронной машиной (БУ АМ) предназначен для управления электрической машиной во всех режимах функционирования КЭУ и включает в себя вентильный преобразователь (ВП), выполненный по схеме трехфазного автономного инвертора напряжения (АИН) и широтно-импульсный преобразователь (ШИП) постоянного тока.

Показана необходимость использования для исследования КЭУ различных методов: метода полезной составляющей, метода мгновенных значений в сочетании с координатными преобразованиями уравнений электрической машины, метода коммутационных функций.

Во второй главе проведен синтез силовой электромеханической части КЭУ. Описаны особенности конструкции асинхронной машины. С учетом этих особенностей рассчитана асинхронная машина КЭУ и определены ее параметры. Выбраны силовые схемы вентильных преобразователей, выбраны накопители электрической энергии.

В качестве электрической машины КЭУ выбрана асинхронная машина, устанавливаемая на место маховика. Известна методика проектирования такой машины на базе серийной АМ (используется магнитопровод такой АМ). Однако в этом случае по габаритам и массе ее нельзя будет устанавливать на обычный автомобиль без существенных изменений в его компоновке, и необходимо проектировать новый автомобиль. Поэтому разработана асинхронная машина специальной конструкции, которая устанавливается между двигателем внутреннего сгорания и коробкой передач. При этом изменения в компоновке серийного автомобиля минимальны.

Одной из особенностей такой АМ является новая конструкция лобовых частей обмоток статора, получившая патентную защиту в Российской Федерации.

На рис.3 показана схема обмотки, соответствующая предложенной конструкции обмотки. На рис.4. показан сектор активной части статора машины переменного тока с предложенной обмоткой. Он включает пазы 1, 2, 3, 4, 5 сердечника 6, в которых расположен верхний слой обмотки со стержнями 7, 8, 9, 10, 11 и нижний слой обмотки со стержнями 12, 13, 14, 15, 16. Эти стержни разделяет межслойная изоляция 17. Показаны катушечные перемычки 18, 19, слой изолирующего материала 20 и катушечная перемычка 21. Стержни 10 и 12 соединяет перемычка 19, площади сечения которой в местах соединения со стержнями заштрихованы и примерно вдвое меньше площадей поперечного сечения стержней 10 и 12. Аналогично выполнены перемычки 18, 21 и др., соединяющие стержни катушек.

EMBED KompasFRWFile EMBED KOMPAS.FRW

Рис.3. Схема обмотки статора Рис.4. Сектор активной части

статора машины переменного тока

Показана также перемычка 24 для соединения катушечных групп. Между катушечными перемычками имеются слои изоляции (слой 25 – между перемычками 18 и 19). Имеются слои изоляции между катушечными перемычками и перемычками для соединения катушечных групп (слой 26). Имеются также слои изоляции между катушечными перемычками и проводниками выводов фаз обмотки (слой 27).

Таким образом, предложенная обмотка электрической машины позволяет выполнить соединения между стержнями по кратчайшему расстоянию между ними, что позволяет уменьшить до минимума вылет лобовых частей электрических машин с такой обмоткой.

С учетом указанных особенностей выполнения лобовых частей обмотки статора проведено проектирование асинхронной машины для наиболее тяжелого режима работы – стартерного. Проектирование начинается с определения расчетного напряжения обмотки статора.

Одним из вариантов АМ является машина с двухслойной волновой стержневой обмоткой статора (q=1) с двумя стержнями в пазу.

Напряжение витка при известной длине стержня и магнитной индукции

EMBED Equation.3 (1)

а напряжение фазы

EMBED Equation.3 . (2)

При подключении обмотки статора АМ к ВП, выполненному по схеме 3-х фазного мостового инвертора напряжения

EMBED Equation.3 , (3)

где kв – коэффициент передачи по напряжению АИН.

При номинальном напряжении ЕНЭ напряжение Ud=Uном ЕНЭ. Тогда фазное напряжение при номинальной скорости АМ

EMBED Equation.3 (4)

Требуемое число витков в фазе

EMBED Equation.3 . (5)

Тогда число пар полюсов

EMBED Equation.3 . (6)

Учитывая необычную конструкцию лобовых частей статора, активное сопротивление обмотки статора определяется по формуле:

EMBED Equation.3 , (7)

где r — сопротивление паза, r — сопротивление лобовых частей, r1ПВГ — сопротивление перемычек между витковыми группами.

Индуктивное сопротивление рассчитывается по известной формуле:



EMBED Equation.3 . (8)

Предложенная методика электромагнитного расчета состоит из следующих разделов:

Выбор исходных данных.

Расчет напряжений витка и фазы.

Определение числа витков в фазе.

Определение числа пар полюсов.

Расчет магнитопровода статора и ротора.

Расчет обмоток статора и ротора.

Расчет магнитной цепи и определение тока холостого хода.

Определение активных и индуктивных сопротивлений.

Расчет режимов холостого хода и номинального.

Расчет рабочих характеристик.

Определение максимального момента.

Расчет начального пускового тока и начального пускового момента.

Определение массы асинхронной машины.

Проведен электромагнитный расчет, построены энергетические характеристики (рис.5) и разработана конструкция специальной АМ КЭУ (рис.6).

Рис.5. Рабочие характеристики специальной АМ

Статор 1 АМ крепится в подкапотном пространстве автомобиля на корпусе 8 ДВС. Ротор 3 АМ КЭУ расположен на ступице 5 между двигателем внутреннего сгорания и сцеплением.

Для управления АМ в КЭУ установлен вентильный преобразователь, выполненный по схеме трехфазного мостового автономного инвертора напряжения, служащего также источником реактивной мощности.

EMBED KompasFRWFile

Рис.6. Конструкция АМ КЭУ

1 – статор, 2 – обмотка статора, 3 – ротор, 4 – обмотка ротора, 5 – ступица, 6 — торсионный вал сцепления, 7 – вал ДВС, 8 – корпус

Для регулирования заряда ЕНЭ используется широтно-импульсный преобразователь постоянного напряжения в постоянное.

Третья глава посвящена выбору способов и схем управления асинхронной машиной при различных режимах работы КЭУ.

Построена структурная схема для стартерного режима работы КЭУ с частотным пуском от ЕНЭ.

Для ускорения процесса запуска ДВС необходимо изменять частоту тока статора АМ так, чтобы поддержать скольжение близкое к критическому, а напряжение на статоре изменять так, чтобы сохранять в процессе пуска постоянство насыщения магнитопровода машины. Т.е. пуск проводится с постоянным моментом, а отношение напряжения к частоте необходимо поддерживать примерно постоянным:

EMBED Equation.3 , (9)

где U1 напряжение на статоре; IR — потери в проводах; ∆U — падение напряжения в вентилях преобразователя; f1 – частота тока статора.

В генераторном режиме рекомендуется изменять напряжение АМ пропорционально корню квадратному частоты тока статора. Так как в АМ с короткозамкнутым ротором круговая частота вращения поля машины близка к частоте вращения ротора ω, при регулировании поддерживается

EMBED Equation.3 . (10)

При таком законе регулирования необходимо ограничивать ток заряда накопителей энергии. Это достигается включением ШИП1 и ШИП2 между шинами постоянного тока вентильного преобразователя частоты, аккумуляторной батареей 12В и ЕНЭ. Если степень заряженности ЕНЭ недостаточна для осуществления запуска ДВС, перед началом запуска его подзаряжают от аккумуляторной батареи через повышающий преобразователь постоянного напряжения ШИП2.

Для стабилизации напряжения в генераторном режиме используется пропорционально-интегральный регулятор с настройкой на симметричный оптимум.

Предложена энергетическая установка с асинхронным стартер-генератором, на которую получено положительное решение на выдачу патента РФ. Она позволяет производить эффективный регулируемый частотный пуск асинхронной машины при запуске ДВС от ЕНЭ, а также обеспечивает регулируемый заряд накопителей электрической энергии и электроснабжение потребителей постоянного тока двух уровней напряжения в генераторном режиме при изменении частоты вращения вала ДВС.

В четвертой главе предложены математические модели асинхронной машины, вентильного преобразователя частоты, и источников электропитания КЭУ. С помощью этих моделей исследованы переходные процессы в КЭУ со специальной асинхронной машиной.

Для построения математического описания динамических процессов в асинхронной машине используется теория обобщенной электрической машины. При составлении уравнений и рассмотрении переходных процессов асинхронных машин использованы общепринятые допущения и ограничения, связанные с понятием «идеализированная машина», а также учтено насыщение магнитопровода АМ.

Представлены уравнения асинхронной машины в координатах, вращающихся с произвольной скоростью. Уравнения электрического равновесия машины в этих осях записаны в матричной форме:

EMBED Equation.3 , (11)

где ωк – угловая скорость; ω – частота вращения вала АМ; X, Y – оси, вращающиеся с частотой ωk; iSX , iSY, iRX , iRY,,– токи в обмотках статора и ротора по осям X и Y; uSX , uSY – напряжения в обмотках статора и ротора по осям X и Y; RS, RR – активные сопротивления обмоток статора и ротора; LS, LR – индуктивности фаз статора и ротора; LSR — взаимоиндуктивности фаз статора и ротора.

Уравнение механического равновесия:

EMBED Equation.3 (12)

где pП — число пар полюсов АМ; Мквмеханический момент коленвала ДВС; ℑ — момент инерции ротора АМ и коленчатого вала ДВС; ωкв — механическая частота вращения коленчатого вала ДВС.

Показано, что при широтном регулировании напряжения статора асинхронной машины целесообразно записывать эти уравнения в осях U, V, вращающихся с частотой первой гармонической напряжения статора АМ.

Эквивалентная схема цепи постоянного тока КЭУ, учитывающая потери в стали АМ и потери на коммутацию в вентилях ВП (RП), сопротивление проводов (RПР), сопротивление ЕНЭ (RЕНЭ) и сопротивление нагрузки бортовой сети 42В (RН42), показана на рис 7. Данная схема соответствует работе АМ от ЕНЭ в режиме стартера.

EMBED KOMPAS.FRW

Рис .7.

Уравнения цепи постоянного тока КЭУ, соответствующие этой эквивалентной схеме, запишутся:

EMBED Equation.3 (13)

EMBED Equation.3 (14)

EMBED Equation.3 (15)

EMBED Equation.3 (16)

Построена математическая модель с использованием коммутационных функций для исследования переходных процессов в КЭУ с широтным регулированием выходного напряжения инвертора.

В синхронно вращающихся осях коммутационные функции повторяются на шаге инвертора. Поэтому, сравнивая одну из коммутационных функций в этих осях с заданным значением можно моделировать моменты переключения вентилей преобразователя и управление скважностью ШИР.

Для ШИР с n импульсами на периоде необходимо сформировать (n-1) дополнительных функций, сдвинутых на К(60/n) градусов относительно исходной:

EMBED Equation.3 , (17)

где К = 1, 2, …, n-1; EMBED Equation.3 .

Алгоритмы формирования ШИР различных типов аналогичны, изменяются только функции, определяющие моменты переключения коммутационных функций.

Таким образом, математическая модель КЭУ для расчета квазиустановившихся процессов, построенная на основе метода мгновенных значений, позволяет рассчитать мгновенные значения напряжений и токов статора АМ, мгновенные значения токов в звене постоянного тока КЭУ, электромагнитный момент в стартерном или генераторном режимах. Расчет максимальных мгновенных значений токов инвертора важен для выбора силовых транзисторов, которые весьма чувствительны к перегрузкам по току и определения пульсаций электромагнитного момента и напряжений в звене постоянного тока, возникающих за счет переключений вентилей преобразователя.

Компьютерное моделирование переходных процессов проводится с помощью разработанного пакета прикладных программ. Исследуются нормальные режимы запуска ДВС от источника ограниченной мощности, анализируются режимы работы КЭУ в двигательном и генераторном режимах, переход асинхронной машины из режима стартера в режим генератора, а также режим поддержки ДВС.

Блок-схема алгоритма программы приведена на рис.8.

EMBED KOMPAS.FRW

Рис.8

В основной программе происходит обработка исходных данных, введенных пользователем. После этого вызывается подпрограмма COMFUN, формирующая вектор коммутационных функций. Затем вычисляются скольжение АМ, действующие значения фазного тока, мгновенные значения фазных напряжения и тока, электромагнитный момент и ток на входе инвертора. Решение системы дифференциальных уравнений проводится итерационным методом Ньютона в подпрограмме NJUTON, которая производит расчет переменных на данном шаге.

Расчетные данные сравнивались с данными, полученными на экспериментальной установке. Экспериментальные испытания КЭУ проведены при работе ВП с законом коммутации λ=1200. Среднеквадратичная ошибка между экспериментальными и расчетными данными, не превышает 9% что говорит о корректности построенной математической модели КЭУ.

На рис.9 показаны расчетные осциллограммы, иллюстрирующие процесс запуска ДВС и переход АМ из режима стартера в режим генератора. Здесь: n – частота вращения вала асинхронной машины, M – электромагнитный момент асинхронной машины; Mкв – тормозной момент коленчатого вала ДВС; f2 – частота тока ротора.

Установлено, что разработанная КЭУ обеспечивает требуемый пусковой момент 150 Нм.

Рассчитан процесс включения зажигания при значительной частоте вращения вала ДВС. При такой частоте вращения уменьшаются выбросы вредных веществ в атмосферу при включении ДВС и трогании автомобиля.

Рис.9

Компьютерные эксперименты показали работоспособность КЭУ с предложенным управлением асинхронной машиной в стартерном и генераторном режимах. Рассчитанный пусковой момент и энергетические характеристики специальной асинхронной машины КЭУ свидетельствуют о возможности ее использования для стартерного запуска и питания бортовой сети гибридных автомобилей, разработанных на базе автомобилей типа ВАЗ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие основные результаты:

Проведенный анализ существующих комбинированных энергетических установок для гибридных автомобилей показал, что использование зарубежных установок требует существенных изменений в компоновке узлов серийных автомобилей, в результате чего себестоимость таких автомобилей сильно возрастает.

Разработана конструкция специальной асинхронной машины с предложенными автором лобовыми частями обмотки статора, что позволяет значительно уменьшить габариты машины и установить ее в картер сцепления автомобиля типа ВАЗ.

Разработана методика электромагнитного расчета специальной асинхронной машины комбинированной энергетической установки, учитывающая ограниченный внешний диаметр и малую длину магнитопровода, увеличенный внутренний диаметр сердечника ротора, расположенного на специальной ступице, специальную конструкцию лобовых частей обмотки статора.

Предложена энергетическая установка с асинхронным стартер-генератором с емкостным накопителем энергии и двумя уровнями напряжения бортовой сети автомобиля. Такая энергетическая установка осуществляет запуск двигателя внутреннего сгорания от емкостного накопителя энергии, обеспечивает регулируемый заряд накопителей электрической энергии и электроснабжение потребителей постоянного тока в генераторном режиме и режиме рекуперативного торможения.

Построены математические модели комбинированной энергоустановки в стартерном и генераторном режимах работы, учитывающие потери на коммутацию в преобразователе и потери в стали асинхронной машины, насыщение магнитопровода, широтно-импульсное регулирование напряжения статора асинхронной машины, а также зависимость тормозного момента двигателя внутреннего сгорания от положения коленчатого вала.

Проведено исследование переходных процессов в комбинированной энергетической установке методом компьютерного эксперимента. Результаты эксперимента показали, что при запуске двигателя внутреннего сгорания от асинхронной машины с регулированием напряжения статора, обеспечивается требуемый для надежного пуска двигателя внутреннего сгорания момент 150 Нм; в разработанной установке возможно включение зажигания при частотах вращения коленчатого вала, близких к частоте вращения холостого хода, что приводит к снижению вредных выбросов в атмосферу; в генераторном режиме асинхронная машина обеспечивает заряд накопителя энергии в широком диапазоне частот вращения.

Проведены экспериментальные исследования работы комбинированной энергетической установки. Сравнение расчетных данных с данными экспериментов подтвердили корректность построенных математических моделей.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Грачев П.Ю., Ежова Е.В. Моделирование КСУ с двумя вентильными преобразователями для гибридного автомобиля. Вестник УГТУ-УПИ №5 (25). Часть 1. Екатеринбург. 2003 г. C. 447-450.

Грачев П.Ю., Ежова Е.В. Особенности проектирования асинхронной машины для комбинированного электропривода гибридного автомобиля. Материалы МНТК «Электромеханические преобразователи энергии». Томск. 2003 г. с.108-109.

Грачев П.Ю., Ежова Е.В. Комбинированная силовая установка как один из способов повышения надежности работы автотранспортных средств. Сборник трудов МНТК «Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин». Т.2, ч.2. М., Машиностроение, 2003г. с.402-405.

Грачев П.Ю., Ежова Е.В. Автономный электропривод комбинированных энергоустановок. Труды IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития», ч. II, Магнитогорск, 2004 г. с.174-176.

Грачев П.Ю., Ежова Е.В. Стартер-генераторные устройства для перспективных автомобилей ВАЗ на базе асинхронных машин с вентильными преобразователями. Труды пятого международного симпозиума ЭЛМАШ-2004, Т.II, М. 2004 г. с.167-169.

Грачев П.Ю., Ежова Е.В. Асинхронный стартер-генератор для комбинированного энергетического привода гибридного автомобиля. «Электротехника» №12 2004 г. с.35-39.

Грачев П.Ю., Ежова Е.В. Электропривод переменного тока для гибридного автомобиля с многополюсной асинхронной машиной. Труды Международной тринадцатой научно -технической конференции «Электроприводы переменного тока», Екатеринбург: УГТУ — УПИ, 2005. С.271- 274.

Анисимов В.М., Грачев П.Ю., Ежова Е.В. Стартер-генераторая установка для автомобилей типа ВАЗ: Номинанты конкурса ПО РИА (Лучший инновационный проект) // Инженер Поволжья (информационно – аналитический журнал) №2 (13) март-апрель 2005. – С 53-54.

Анисимов В.М., Грачев П.Ю., Ежова Е.В., Тарановский В.Р. Автомобильный асинхронный стартер-генератор – лучший инновационный проект Поволжского региона. Материалы Международного симпозиума «Электроника и электрооборудование транспорта», Суздаль, 2005. С.21-23.

Pavel Grachev, Vladimir Anisimov, Elena Ejova. The Asynchronous Machine for a Starter-Generating Unit (SGU). Eleventh International Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems «ELMA 2005». Sofia, Bulgaria. P.314-316.



Страницы: 1 | 2 | Весь текст