Многоуровневые преобразователи частоты для дифференциальных электроприводов

Условия Крайнего Севера являются экстремальными не только для проживания и деятельности человека, но и для рабочей техники. В северной части России – Якутской области и Чукотском автономном округе – большую часть года температура воздуха не поднимается выше –20 °С, а в некоторых районах температура опускается до –60 °С (г. Оймякон). Поэтому в работе техники особое внимание уделяется надежности и выносливости. Одним из условий является запуск двигателя внутреннего сгорания ДВС промышленного транспорта. На это влияет ряд факторов, таких как: температурные условия, плотность электролита аккумулятора, вязкость масла в ДВС, количество цилиндров, степени сжатия, температура в камере сгорания топлива, температура топлива (особенно это важно для дизельных двигателей). Запуск ДВС, как правило, осуществляет электрический стартер, который должен в условиях, описанных выше, развить высокий пусковой момент, разогнать коленвал ДВС до пусковой частоты вращения и удерживать скорость до полного пуска. На сегодня предложены несколько методик для решения данной проблемы. Так, коллеги из Москвы предлагают использовать суперконденсаторы в системе пуска ДВС [1]. Эксперименты показали эффективность данной методики, доказана высокая вероятность пуска ДВС при разряженном или замерзшем АКБ. Однако в случае неудачного пуска шанс повторного запуска снижается в разы. Также авторы [2] указывают, что использование накопителей энергии не способствует уменьшению массогабаритных показателей, а наоборот, утяжеляет и усложняет конструкцию. Рациональным решением облегченного пуска ДВС может быть накопление кинетической энергии с помощью маховика. Авторы [3] с помощью экспериментальных исследований заключили, что двухэтапный пуск ДВС при условии накопления энергии маховиком экономит затраты энергии АКБ в 1,5 раза. Отметим, что данный способ широко распространён в военной промышленности, в особенности при запуске танковых ДВС на принципе накопления кинетической энергии маховиком, раскручиваемым ручным кривошипным стартером. Но данный метод также влечет за собой увеличение массогабаритных показателей, а в условиях Крайнего Севера это не приветствуется ввиду увеличения расхода топлива.

Данная статья представляет использование стартер-генератора на базе дифференциального электропривода. За основу взят планетарный редуктор, смоделирована математическая модель работы в режиме статора (двигательном) и режиме генератора. Определен характер нагрузки и особенности работы электропривода, на основе которых построена математическая модель работы стартер-генератора С-Г, переключение между двигательным и генераторным режимами. Полученные данные доказывают эффективность работы дифференциального электропривода, повышение вероятности безотказного запуска ДВС, а также снижение массогабаритных показателей, что приводит к экономии топлива в среднем от 0,5–0,7 л на 100 км.

Характер работы стартер-генератора

Использование стартер-генератора в автомобиле не ново, однако весьма выгодно, так как ис- пользуется одна электрическая машина, выполняющая две основные функции электрической машины: двигательный и генераторный режимы работ. Однако нужно учесть главный фактор: стартер и генератор имеют различные механические характеристики работы (рис. 1) и, соответственно, конструкцию. Формула (1) наглядно отображает разницу между этими электрическими машинами:

nг max      ст max nст max      гmax

.

Существуют различные методы решения данной проблемы, один из них – использование аппаратного метода путем работы полупроводникового преобразователя на напряжения разной величины [4]. Но, говоря об использовании транспортных средств ТС в условиях Крайнего Севера, предполагается, что надежность агрегатов должна быть выше. Так, в патенте Ю.С. Усы-нин [5] предлагает использовать дифференциальный электропривод на базе планетарного редуктора.

Рис. 1. Механическая характеристика стартера и токоскоростная характеристика генератора

Fig. 1. Mechanical characteristics of the starter and current-speed characteristics of the generator

Выбор конструкции дифференциального редуктора

Для реализации дифференциального электр опривода (рис. 2), к примеру, вал солнечной шес терни С механически соединен с валом электрич е ской машины М, а вал водила В – с входным ва лом рабочего механизма РМ. На валу эпицикла Э установлен механический тормоз Т, кроме того, имеется фрикционная муфта Мф между валами эпицикла Э и солнеч ной шестерни С. Стоит отм е тить, что входной вал может быть и выходным.

Включением и отключением тормоза Т и муфты Мф реализуются различные варианты струк- тур силовых цепей. Воспользуемся схемами замещения (рис. 3). На схемах изображены только те механические звенья, через которые передается поток энергии. На этих же схемах стрелками показаны потоки энергии, поступающие в дифференциальный редуктор и выходящие из него через соответствующие звенья: солнечную шестерню С, эпицикл Э или водило В.

Когда включен тормоз Т на валу эпицикла Э, а муфта Мф между валами солнечной шестерни С и эпицикла Э отключена (рис. 3а), реализуется обычный планетарный редуктор с неподвижным эпициклом. Его передаточное число выбирают ip = 6…8. Этой

Рис. 2. Функциональная схема дифференциального электропривода стартер-генератора с одним электрическим двигателем Fig. 2. Functional diagram of a differential electric drive of a starter-generator with one electric motor

Рис. 3. Варианты схем замещения дифференциального планетарного редуктора:

a – при заторможенном эпицикле Э; b – при включении муфты Мф; c – при отключенных Мф и Т Fig. 3. Equivalent circuit variants of a differential planetary gearbox: a – with a locked epicycle Э;

b – with the Мф clutch engaged; c – with Мф and T disconnected

схемой обеспечивается повышенный вращающий момент стартер-генератора в режиме пуска ДВС.

Когда тормоз Т отключен, включена только муфта Мф (рис. 3b), звенья редуктора оказываются заблокированными и вращаются как одно целое. В этом режиме передаточное число редуктора ip = 1, тем самым обеспечивается работа в режиме генератора, когда требуется относительно большая скорость электрической машины при сравнительно малых моментах

Выбор типа и конструкции электродвигателя

В случае выбора электрической машины на роль С-Г необходимо четко понимать, в каких условиях будет работать агрегат. В стартерном режиме необходимо поддерживать постоянную ско- рость вращения коленчатого вала ДВС для достижения высокой вероятности пуска, а также высокий момент. При этом двигатель будет работать на пониженном напряжении ввиду замерзания электролита в АКБ. В генераторном режиме машина должна сгенерировать достаточно электрической энергии для приборов ТС. Необходимо учесть, что для дизельных ДВС скорость вращения коленчатого вала ниже, чем у бензинового. Тем самым на низких частотах вращения эл. машина должна выдавать стабильное напряжение питания.

В качестве исследования были рассмотрены несколько электрических машин: асинхронный двигатель, двигатель постоянного тока и синхронный реактивный двигатель с независимым каналом возбуждения [6]. В таблице представлены результаты сравнительного анализа.

Результаты исследования Research results

Электрический двигатель	Режим
	Mн	0,5 Mн	1,5 Mн
Асинхронный двигатель:
– скорость вращения вала рад/с	116,6	120,8	97,1
– ток статора, А	987	856	1120
– температура обмотки, °С	71	68	85
Двигатель постоянного тока:
– скорость вращения вала рад/с	134,3	150,1	121,3
– ток статора, А	1405	1683	1912
– температура обмотки, °С	72	75	94
СРМНВ TLA-ротор:
– скорость вращения вала рад/с	105,6	105,8	105,3
– ток статора, А	991	905	1150
– температура обмотки, °С	69	66	72

а)                                                                    b)

Рис. 4. Многоуровневый частотный преобразователь и система УФФТ для СРД

Fig. 4. Multilevel frequency converter and UFFT system for SRM

По результатам сравнительного анализа подходящей электрической машиной выступает синхронная реактивная машина с независимым каналом возбуждения. Данный агрегат ввиду своих преимуществ имеет сложную конструкцию управления (6-фазная обмотка и обмотка возбуждения) (рис. 4а). Для этого используется многоуровневый преобразователь частоты. Данные преобразователи активно используются в электроприводах для общепромышленных механизмов, использующих силовое напряжение амплитудой до 1000 В. Преимущества такой коммутации – низкие потери в коммутирующих полупроводниковых элементах и улучшение гармонического состава выходных напряжений (рис. 4b).

Применения многоуровневого преобразователя в данном случае оправданно в следующих случаях:

• 1)    токи, коммутируемые полупроводниковыми ключами одинаковы, но различаются временными интервалами открытых и закрытых состояний, амплитуды коммутируемых напряжений различаются в 2 и более раз;

• 2)    многоуровневая (трехуровневая) коммутация снижает значение допустимого напряжения;

• 3)    темпы нарастания и спадания напряжения могут оставаться неизменными, чтобы не увеличивать скорость нарастания, которое, как указывают ряд информационных источников, могут привести к нарушению устойчивости процесса коммутации;

• 4)    временные интервалы изменения напряжений при коммутации транзисторов уменьшаются приблизительно в 2 раза;

• 5)    скорость нарастания тока должна увеличиться в 2 раза, чтобы временной интервал переключения стал в 2 раза меньше;

• 6)    количество силовых ключей для многоуровневой (трехуровневой) коммутации увеличено в 2 раза по сравнению с обычной коммутацией;

• 7)    количество переключений за один период на один силовой ключ остается примерно таким же, как и при «прямоугольной» коммутации.

Моделирование математическоймодели С-Г

Математическая модель системы «Стартер-генератор – ДВС» на базе СРДНВ, реализованная в программном пакете Ansys Simplorer/Maxwell, приведена на рис. 5. Математическая модель

Рис. 5. Математическая модель С-Г с ДВС Fig. 5. Mathematical model of S-G with ICE

Рис. 6. Переходный процесс запуска ДВС от С-Г Fig. 6. Transient process of starting the ICE from S-G

«Стартер-генератор – ДВС» н а ба з е С Р Д НВ содержит следующие блоки: РС – р е гу л я тор с корости; ДС – датчик скорости; ЯМЗ- 2 36 – модель ме х ан иче с ко й ча с ти д из е л ь ного дв ига тел я ЯМЗ-236; БП – бл ок п реоб ра зов а н ия угл а пов орот а в а л а двигателя; ДП – д атчи к по л ож е н ия; У ФФТ – узел формирования фазных токов; РТ1–РТ6 – регулято р ы токов фа з ; м оде л ь м а гни тной сис те м ы эл ек троме х а ниче ского пре обра з ов а те л я; Д ПР – дифференциальный планетарный редук тор с м е х а низ ма ми уп равл ени я (муфта , торм оз ); уз е л форм ирования сигналов управления.

В х оде ис с л е дов ан ий при в еде н на я в ыше си стема управления пока зал а с в ою ра ботос пос о б нос ть . На рис . 6 м ож но ви де ть пе рех одны й пр о це сс з а п у с ка двигате ля вн у тре нне го сгора ния. По сл е того ка к Д ВС пе ре х од ит в с а м ос тоятел ь ный режим работы, стартер-ге н ера тор пе ре х оди т из дв и га те л ьн о г о реж и м а ра бо ты в ге не ра торны й.

Выводы

Ув е личе н ие наде жнос т и э кс п луата ц и и про мышл е н ных тра нспортны х с ре дс тв в усл овия х

Крайнего Севера – серьезный вопрос, который решают многие ученые и специалисты. Основные недостатки существующих методов решения проблемы пуска ДВС в холодных условиях окружающей среды заключаются в уменьшении надежности агрегатов, низкой вероятности успешного пуска и низком напряжении АКБ. В данной статье рассмотрен дифференциальный электрический привод, который не только увеличивает вероятность успешного пуска ДВС, но и уменьшает массогабаритные показатели подкапотного оборудования ввиду использования одной электрической машины вместо двух. Это позволит сэкономить топливо при зимней эксплуатации для всего промышленного автопарка. Предложенный дифференциальный электропривод может быть использован не только в автомобильной промышленности, но и в других сферах деятельности, где присутствуют тяжелые условия труда. Например, на буровых установках, где необходимо поддерживать высокую производительность и эффективную работу электропривода в условиях плохого качества электроснабжения.

Между тем необходимо отметить недостатки данной системы, а именно использование сложного и дорогостоящего оборудования. Многоуровневый преобразователь частоты и синхронный реактивный двигатель с независимым каналом возбуждения имеют весьма сложные конструкцию и систему управления. Использование такого дифференциального привода будет оправдано в ТС средней и тяжелой промышленности, где выход из строя оборудования может привести к дорогостоящим простоям и ремонту.

В будущем планируются оптимизация дифференциального электропривода по упрощению системы управления, оптимизация конструкции электродвигателя по критерию снижения затрат на конструкцию при производстве, а также исследование переходных процессов работы комплекта электропривода при тяжелых условиях эксплуатации.