Michaá JANASZEK Kamil KWIATKOWSKI

NAPĉD POJAZDU TURYSTYCZNEGO OSOBOWO-TOWAROWEGO STRESZCZENIE W artykule przedstawiono koncepcjĊ ukáadu napĊdowego pojazdu turystycznego osobowo-towarowego o masie caákowitej do jednej tony. NapĊd skáada siĊ z dwóch przeksztaátników tranzystorowych sterowanych przez jeden ukáad regulacyjny, oraz dwóch silników zamontowanych w koáach napĊdowych pojazdu. W napĊdzie zastosowano silniki synchroniczne z magnesami trwaáymi i o budowie odwróconej, tzn. z wirnikiem zewnĊtrznym poáączonym bezpoĞrednio z felgą koáa. Omówiona zostaáa metoda sterowania jednym programem sterującym dwoma silnikami zasilanymi z dwóch falowników. Zaprezentowane zostaáy wyniki badaĔ symulacyjnych i eksperymentalnych ukáadu. Sáowa kluczowe: pojazdy elektryczne, napĊd elektryczny, silniki z magnesami trwaáymi

1. WSTĉP WystĊpujący w ostatnich latach wzrost cen paliw spowodowaá zainteresowanie wykorzystaniem napĊdów elektrycznych w pojazdach przeznaczonych do celów turystycznych, do przewozu ludzi i towarów. Przewiduje siĊ, Īe pojazdy o napĊdzie elektrycznym stosowane bĊdą tam, gdzie uĪycie pojazdów spalinowych jest zabronione lub niewskazane. NajczĊĞciej wymienia siĊ obszary chronione pod wzglĊdem ekologicznym, np.: centra zabytkowych miast, wydzielone obszary miast o ograniczonym ruchu drogowym, parki narodowe, tereny rekreacyjne, pola golfowe. Przewiduje siĊ równieĪ zastosowanie pojazdów na terenach przemysáowych, np. jako Ğrodków transportu wewnątrzzakáadowego, transportu towarów w halach

dr inĪ. Michaá JANASZEK e-mail: [email protected] mgr inĪ. Kamil KWIATKOWSKI e-mail: [email protected] Instytut Elektrotechniki, Zakáad NapĊdów Elektrycznych PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 262, 2013

18

M. Janaszek, K. Kwiatkowski

i pomieszczeniach zamkniĊtych, transportu pasaĪerów i bagaĪy na lotniskach oraz jako pojazdów specjalnych, remontowych, do oczyszczania terenu, sanitarnych. Jako maszyny i pojazdy robocze mogą byü wykorzystywane mini wywrotki do przewozu materiaáów sypkich, w budownictwie, rolnictwie i hodowli zwierząt, maszyny do prac w ogrodach, szklarniach, itp. Przewidywane zastosowanie pojazdów o napĊdzie elektrycznym jest szerokie i róĪnorodne. Spowodowane jest to ich zaletami w stosunku do napĊdów spalinowych. W literaturze podkreĞla siĊ najwaĪniejsze cechy pojazdów o napĊdzie elektrycznym i ich korzystny wpáyw na stan Ğrodowiska naturalnego: brak wydzielania spalin w miejscu eksploatacji pojazdu, wyĪszą sprawnoĞü energetyczną, moĪliwoĞü odzysku energii hamowania, mniejsze koszty energii i eksploatacji, bezpieczny magazyn energii, niską emisjĊ haáasu, áatwą obsáugĊ pojazdu, stosunkowo prostą obsáugĊ serwisową, uniezaleĪnienie od rynku ropy.

2. POJAZD TURYSTYCZNY OSOBOWO-TOWAROWY Instytut Elektrotechniki podjąá siĊ opracowania nowoczesnego, lekkiego pojazdu o napĊdzie elektrycznym, przewidzianego do przewozu pasaĪerów i towarów na odlegáoĞü do 50 km. Masa caákowita pojazdu nie powinna przekraczaü 1 tony. We wstĊpnych zaáoĪeniach budowy pojazdu przyjĊto, Īe pojazd bĊdzie osiągaá parametry techniczne pokazane w tabeli 1. TABELA 1 Planowane parametry techniczne pojazdu Parametry

WartoĞci parametrów planowane do uzyskania

Masa caákowita

do 1 tony

Masa pojazdu

do 700 kg

ObciąĪalnoĞü caákowita

do 300 kg,

PrĊdkoĞü maksymalna

20 km/h

Pokonywanie wzniesieĔ

do 20%

Przyspieszenie maksymalne

a

ZasiĊg

do 50 km

Wymiary Magazyn energii Moc napĊdu elektrycznego

2

m s2

dáugoĞü 2,6 m; szerokoĞü 1,2 m; wysokoĞü 1,7 m akumulatory 8 x 12 V = 96 V 2 x 2000 W

Podstawowym celem jest opracowanie i zastosowanie w projektowanym pojeĨdzie nowych rozwiązaĔ ukáadów elektrycznych: x napĊdu z silnikami synchronicznymi o magnesach trwaáych; x mikroprocesorowego regulatora prĊdkoĞci;

NapĊd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego

19

x kontrolera pokáadowego, realizującego sterowanie nadrzĊdne pojazdu, programowanie, diagnostykĊ i monitorowanie pracy pojazdu; x sterowania magistralą CAN; x akumulatorowego magazynu energii; x bezstykowego ukáadu áadowania magazynu energii; x energooszczĊdnego diodowego oĞwietlenia pojazdu. Konstrukcja pojazdu skáada siĊ z dwóch podstawowych elementów: x podwozia, do którego mocowane są wszystkie podzespoáy napĊdowe, koáa, ukáad kierowania pojazdem, ukáad hamowania mechanicznego, ukáad zawieszenia pojazdu, przeksztaátniki energoelektroniczne, ukáad sterowania, akumulatory, bezstykowy ukáad áadowania, oraz przetwornica zasilająca oĞwietlenie; x nadwozia, w skáad którego wchodzą siedzenia dla 4 osób, osáona przednia pojazdu i dach.

Rys. 1. Model eksperymentalny pojazdu uniwersalnego o napĊdzie elektrycznym

Koáami napĊdowymi pojazdu są koáa tylne. Są w nich wbudowane silniki synchroniczne o magnesach trwaáych i o budowie odwróconej. Są to silniki wolnoobrotowe, wysokomomentowe bez przekáadni mechanicznej. Koáami skrĊtnymi są koáa przednie. Z nimi powiązany jest mechanizm kierowania pojazdem. Umieszczone są w nich hamulce hydrauliczne i hamulec rĊczny. ZaáoĪono, Īe podwozie bĊdzie podstawowym elementem mechanicznym, niezmiennym, wykorzystywanym w róĪnych wersjach pojazdu. Na podwoziu zamontowane bĊdą urządzenia elektryczne pojazdu: koáa napĊdowe, przeksztaátniki energoelektroniczne, ukáad sterowania, akumulatory, bezstykowy ukáad áadowania oraz przetwornica zasilająca oĞwietlenie. W rezultacie wykonano eksperymentalny model pojazdu uniwersalnego (rys. 1).

20

M. Janaszek, K. Kwiatkowski

3. UKàAD NAPĉDOWY POJAZDU Charakterystyczne cechy napĊdów elektrycznych zaleĪne są od parametrów technicznych pojazdów, dla których są przeznaczone. Przede wszystkim, pojazd jako obiekt napĊdzany ma duĪą masĊ, co oznacza duĪy moment bezwáadnoĞci sprowadzony do waáu silnika napĊdzającego. Ponadto masa ta zmienia siĊ w duĪym zakresie, co utrudnia regulacjĊ napĊdu w pĊtli sprzĊĪenia prĊdkoĞciowego. Konieczna jest równieĪ moĪliwoĞü regulacji momentu napĊdowego niezaleĪnie od prĊdkoĞci. NaleĪy wiĊc stosowaü pracĊ w pĊtli regulacji momentu, gdy prĊdkoĞü jazdy oraz przyspieszenie ustalane są przez kierującego pojazdem. Dalej ukáad regulacji napĊdu powinien zapewniaü: x pracĊ w czterech üwiartkach ukáadu wspóárzĊdnych moment-prĊdkoĞü obrotowa; x pracĊ przerywaną w funkcji czasu – obciąĪenie w czasie rozruchu i hamowania; x hamowanie z oddawaniem energii do akumulatora; x niski poziom haáasu, co uzaleĪnione jest od czĊstotliwoĞci impulsów PWM napiĊcia zasilającego silnik. Przebieg typowego cyklu pracy napĊdu moĪna podzieliü na [1] (rys. 2): x rozruch do prĊdkoĞci ustalonej najczĊĞciej ze staáym zadanym momentem napĊdowym – napĊd pracuje silnikowo, moc napĊdu dodatnia; x jazda ze staáą prĊdkoĞcią – praca silnikowa z niewielkim momentem; x wybieg – praca bez momentu ze zmniejszającą siĊ prĊdkoĞcią; x hamowanie od prĊdkoĞci ustalonej ze staáym zadanym momentem hamującym – napĊd pracuje generatorowo, moc napĊdu ujemna; x nawrót – początkowy okres to hamowanie generatorowe (moc ujemna), koĔcowy okres to rozruch do ustalonej prĊdkoĞci (praca silnikowa, moc dodatnia). T P

n,T,P

n

t 0

rozruch, wybieg,

nawrót,

staáa prĊdkoĞü,

hamowanie

Rys. 2. Praca napĊdu trakcyjnego w funkcji czasu: n – prĊdkoĞü; T – moment napĊdowy; P – moc

21

NapĊd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego

Prace nad napĊdem pojazdu prowadzone byáy w dwóch zakáadach Instytutu Elektrotechniki: W Zakáadzie Maszyn Elektrycznych zaprojektowane i wykonane zostaáy silniki synchroniczne o magnesach trwaáych. W Zakáadzie NapĊdów Elektrycznych opracowana zostaáa metoda sterowania napĊdami, zaprojektowano i wykonano falowniki i ukáad procesorowy sterowania. Silniki prądu przemiennego synchroniczne lub bezszczotkowe wymagają synchronizacji napiĊcia wzglĊdem strumienia, co wymusza koniecznoĞü stosowania ukáadu „jeden przeksztaátnik – jeden silnik”. Mogą byü stosowane w topologiach z rozdzielonymi napĊdami kóá lub jako napĊd jednosilnikowy z mechanicznym mechanizmem róĪnicowym. JednoczeĞnie są to silniki o najwyĪszej sprawnoĞci i duĪej gĊstoĞci mocy – duĪym wspóáczynniku moc/ciĊĪar. Tradycyjne silniki synchroniczne posiadają zewnĊtrzny stojan, w którym umieszczone są uzwojenia trzech faz. Wirnik o magnesach trwaáych umieszczony jest wewnątrz. NajczĊĞciej są to silniki szybkoobrotowe i napĊdzają koáa pojazdu za poĞrednictwem przekáadni mechanicznej. W celu eliminacji przekáadni mechanicznej oraz bezpoĞredniego poáączenia silnika z koáem napĊdowym pojazdu, opracowano silnik o budowie odwróconej. Stojan z uzwojeniami faz umieszczony jest wewnątrz wirnika, a wirnik o magnesach trwaáych poáączony jest bezpoĞrednio z koáem. W rezultacie powstaáa nowa topologia napĊdu (rys. 3).

Akumulatory Silnik + Koáo

Przeksztaátnik 1

Sterownik Silnik + Koáo

Przeksztaátnik 2

Rys. 3. Topologia wedáug koncepcji napĊdu bezpoĞredniego z silnikami synchronicznymi o magnesach trwaáych i budowie odwróconej

Wybrana topologia napĊdu bezpoĞredniego zawiera: x dwa silniki synchroniczne o magnesach trwaáych i o budowie odwróconej, wbudowane w koáa napĊdowe pojazdu (rys. 4, 5, 6, 7). Silniki wyposaĪone są w czujniki optoelektroniczne odbiciowe, okreĞlające poáoĪenie wirnika wzglĊdem stojana i pozwalające synchronizowaü napiĊcie zasilające fazy silnika wzglĊdem wirnika. PoniewaĪ magnesy poáączone są trwale z wirnikiem, syn-

22

M. Janaszek, K. Kwiatkowski

chronizacja wzglĊdem wirnika jest jednoczeĞnie synchronizacją wzglĊdem strumienia silnika; x dwa przeksztaátniki trójfazowe, zasilające silniki w ukáadzie „jeden przeksztaátnik – jeden silnik”; x jeden sterownik procesorowy z procesorem TMS320F2812 produkcji Texas Instruments. NapĊd sterowany jest za pomocą jednego programu sterującego; x bateriĊ 8 akumulatorów 12-woltowych o pojemnoĞci 90 Ah, czyli o napiĊciu znamionowym 96 V i energii ok. 31 MJ.

Rys. 4. Kompletny silnik (widok od strony mocowania koáa pojazdu)

Rys. 5. Kompletny silnik (widok od strony mocowania do podwozia pojazdu)

Rys. 6. Silnik z felgą i oponą zamontowany na ramie pojazdu (widok od strony mocowania koáa pojazdu)

Rys. 7. Silnik z felgą i oponą zamontowany na ramie pojazdu (widok od strony mocowania do podwozia pojazdu)

Zastosowany ukáad napĊdowy pozwala teĪ na zwrot energii podczas hamowania. Energia kinetyczna pojazdu podczas hamowania generatorowego przeksztaácana jest w energiĊ elektryczną zwracaną do Ĩródáa. Wprowadzenie takiego mechanizmu

23

NapĊd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego

pozwala na oszczĊdzenie energii elektrycznej, a co za tym idzie, wydáuĪa czas pracy i zasiĊg pojazdu. Sekwencja przeáączeĔ zsynchronizowana jest z aktualnym poáoĪeniem silnika za pomocą sygnaáów wysyáanych przez wbudowany w maszynĊ czujnik poáoĪenia. Czujnik ten skáada siĊ dwóch podstawowych elementów: ukáadu trzech fototranzystorów zamontowanych na stojanie oraz ukáadu luster wirujących wraz z wirnikiem.

4. MODEL MATEMATYCZNY SILNIKA SYNCHRONICZNEGO O MAGNESACH TRWAàYCH Zastosowany w napĊdzie pojazdu silnik synchroniczny o budowie odwróconej posiada magnesy zamontowane na wewnĊtrznej powierzchni wirnika. MoĪna go zatem opisaü równaniami stanu tak, jak opisuje siĊ klasyczny silnik o magnesach trwaáych zamontowanych na powierzchni wirnika (ang. Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor).

faza B Lb Ma,b

Rb Eb Mb,c Ec

Ea

Ra

La

faza A

Rc Lc

Mc,a

faza C

Rys. 8. Schemat silnika synchronicznego o magnesach trwaáych

Model matematyczny silnika synchronicznego zostaá opisany z przyjĊciem zaáoĪeĔ, które w peáni odpowiadają parametrom rzeczywistym (rys. 8) [2]: x zastosowany jest silnik synchroniczny o magnesach trwaáych; x silnik jest trójfazowy (fazy a, b, c, przesuniĊte o kąt 23 S radianów) z uzwojeniem poáączonym w gwiazdĊ, mający 6 par biegunów; x silnik ma sinusoidalny rozkáad strumienia magnetycznego oraz sinusoidalny przebieg siá elektromotorycznych w fazach przy staáej prĊdkoĞci kątowej;

24

M. Janaszek, K. Kwiatkowski

x silnik jest symetryczny, tzn.: - indukcyjnoĞci wáasne faz silnika La = Lb = Lc = L, - indukcyjnoĞci wzajemne faz silnika Mab = Mbc = Mca = M, - indukcyjnoĞü silnika Ld = Lq = 12 L, - rezystancje faz Ra = Rb = Rc = R; x parametry silnika są staáe, niezaleĪne od czasu, obciąĪenia i prĊdkoĞci kątowej; x obwód magnetyczny silnika synchronicznego jest liniowy; x pominiĊty zostanie wpáyw anizotropii, nasycenia magnetycznego zjawiska histerezy i prądów wirowych. Przy wykorzystaniu zapisu wektorowego, dynamikĊ silnika synchronicznego opisują macierzowe równania róĪniczkowe (równania stanu): równanie napiĊü: d Ȍ Ri  u dt

(1)

równanie momentów:

dZ dt

k 1 1 ˜  Ȍ u i  t Z  To J J J

(2)

gdzie:

Ȍ – wektor strumienia; i – wektor prądu; u – wektor napiĊcia; R – macierz rezystancji; kt – wspóáczynnik tarcia; To – moment obciąĪenia; Z – prĊdkoĞü kątowa; J – moment bezwáadnoĞci. Poszczególne wielkoĞci fizyczne, tzn. prąd, napiĊcie, strumieĔ magnetyczny skojarzony z uzwojeniem stojana, okreĞlane są jako wektory przestrzenne, poáoĪone na páaszczyĨnie prostopadáej do osi silnika. Chwilowa wielkoĞü i poáoĪenie wektora X opisane są przez wartoĞci chwilowe danej wielkoĞci fizycznej w fazach A, B, C.

XABC

ª xa (t ) º « x (t ) » « b » ¬« xc (t ) ¼»

ª cos (pZ(t )t  G (t )) º « » X(t ) ˜ «cos (pZ(t )t  G (t )  23 S )» «¬cos (pZ(t )t  G (t )  43 S )»¼

(3)

Amplituda X (t ) , pulsacja Z (t ) oraz faza G (t ) wektora są funkcjami czasu i mogą okreĞlaü przebiegi czasowe niesinusoidalne. Jedyny warunek, jaki musi byü speániony, aby moĪna byáo okreĞliü wektor przestrzenny, to aby suma wartoĞci chwilowych w poszczególnych fazach byáa równa zeru:

xa (t )  xb (t )  xc (t )

0

(4)

25

NapĊd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego

Dla uproszczenia obliczeĔ stosuje siĊ zapis wektorowy w stacjonarnym ukáadzie wspóárzĊdnych prostokątnych Įȕ (rys. 9). Dla przeksztaácenia równaĔ z ukáadu trójfazowego ABC do ukáadu ortogonalnego Įȕ najczĊĞciej stosowane jest przeksztaácenie Clarke’a.

E B S S

X

6

G

3

S 3

A D

S 6

C Rys. 9. Przeksztaácenie wektorów z ukáadu trójfazowego ABC do ortogonalnego Įȕ

Skáadową xD zapisujemy wzorem:

xa  xb ˜ cos ¨¨ S ¸¸  xc ˜ cos ¨¨ S ¸¸ © 3¹ © 3¹ §

xD

·

§

·

(5)

UwzglĊdniając, Īe cos ¨¨ S ¸¸ © 3¹ §

·

1 2

(6)

xc (t )  xa (t )  xb (t )

(7)

oraz

po przeksztaáceniach otrzymujemy:

xD

3 2

xa

(8)

Skáadową xȕ zapisujemy wzorem: xE

xb ˜ cos ¨¨ S ¸¸  xc ˜ cos ¨¨ S ¸¸ ©6¹ ©6¹ §

·

§

·

(9)

26

M. Janaszek, K. Kwiatkowski

UwzglĊdniając, Īe

cos ¨¨ S ¸¸ ©6¹ §

·

3 2

(10)

3 x x c 2  b

(11)

otrzymujemy: xE

Przeskalowując przez 2 , otrzymujemy skáadowe wektora we wspóárzĊdnych orto3 gonalnych: ª « ¬

ª xD º «x » ¬ E¼

XDE

1 3

xa º  xb  xc »¼

(12)

PoniewaĪ w ukáadach napĊdowych wygodnie jest mierzyü tylko dwie skáadowe wektora, np. xa(t), xb(t), uĪywany jest algorytm przeksztaácenia Clarke’a: ª « ¬

ª xD º «x » ¬ E¼

XDE

1 3

xa º  xa  2 ˜ xb »¼

(13)

lub w zapisie funkcji czasu: ªcos  pZ (t )t  G (t ) º X (t ) ˜ « » ¬ sin  pZ (t )t  G (t ) ¼

ª xD º «x » ¬ E¼

XDE

(14)

Po przeksztaáceniu wektorów napiĊcia, prądu i strumienia zgodnie z algorytmem Clarke’a, otrzymujemy skáadowe ortogonalne: wektora napiĊcia:

u

ª « « «¬

ªuD º «u » ¬ E¼

º »  ua  2 ˜ ub »» 3 ¼ ua

ªcos  pZt  P º u« » ¬ sin  pZt  P ¼

1

(15)

wektora prądu:

i

ªiD º « » ¬iE ¼

ª « « «¬

º » 1  ia  2 ˜ ib »» 3 ¼ ia

ª cos  pZt  G º i« » ¬ sin  pZt  G ¼

(16)

wektora strumienia:

ª\ D º Ȍ « » ¬\ E ¼

ª « « ¬«

\a

º » 1 \ a  2 ˜\ b »» 3 ¼

ªcos  pZt  O º Ȍ« » ¬ sin  pZt  O ¼

(17)

27

NapĊd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego

W silniku synchronicznym o magnesach trwaáych strumieĔ wypadkowy moĪna rozáoĪyü na dwie skáadowe ortogonalne: 1. skáadowa strumienia samoindukcji Ȍi

ª\ iD º «\ » ¬ iE ¼

ªL «0 ¬

0 º ªiD º « » L »¼ ¬iE ¼

0 º ªcos  pZt  G º « » L »¼ ¬ sin  pZt  G ¼

ªL i« ¬0

(18)

2. skáadowa strumienia od magnesów trwaáych Ȍf

ª cos  pZt  O º Ȍf « » ¬ sin  pZt  O ¼

ª\ f D º «\ » ¬ fE ¼

(19)

StrumieĔ wypadkowy silnika jest sumą geometryczną tych dwóch skáadowych

ª L 0 º ªiD º ª\ f D º « 0 L » «i »  «\ » ¬ ¼¬ E ¼ ¬ fE ¼

Ȍ Ȍi  Ȍf

(20)

W silniku synchronicznym o magnesach trwaáych indukowana jest siáa elektromotoryczna proporcjonalna pochodnej strumienia

E

ª eD º «e » ¬ E¼

dȌ dt

d d Ȍi  Ȍ f dt dt

ªL «0 ¬

ª diD 0 º « dt « L »¼ « diE «¬ dt

º » ª \ f E º »  pZ « » ¬ \ fD ¼ » »¼

(21)

co pozwala zapisaü równania napiĊü silnika we wspóárzĊdnych ortogonalnych:

ª diD º « dt » « » « diE » «¬ dt »¼

p\ fE º i ª D º ª1 » L » «i »  « L « E R p\ fD » « » «   «Z » 0 L L »¼ ¬ ¼ «¬

ª R « L « « 0 «¬

0

º 0» u ª Dº »« » 1 » ¬u E ¼ L »¼

(22)

Równanie momentów okreĞla iloczyn wektorowy wektora strumienia i prądu:

T

3 2

p  Ȍ u i

3 2

ª\ D \ E º p« iE »¼ ¬ iD

3 2

ª\ iD \ iE º 3 ª\ fD \ fE º p«  p iE »¼ 2 «¬ iD iE »¼ ¬ iD

(23)

PoniewaĪ iloczyn wektorowy strumienia samoindukcji i prądu jest równy zeru

ª\ iD \ iE º «i iE »¼ ¬ D

3 2

ª LiD «i ¬ D

LiE º iE »¼

L  iD iE  iD iE 0

(24)

to moment wytwarzany przez silnik równa siĊ iloczynowi wektorowemu skáadowej wektora strumienia od magnesów trwaáych i prądu twornika:

28

M. Janaszek, K. Kwiatkowski

T

3 2

ª\ fD \ fE º p« iE »¼ ¬ iD

3 2

p \ fD iE \ fE iD

(25)

a równanie momentów zapisujemy jako iloczyn skalarny wektorów:

dZ dt

ª 3 p\ fE « 2 J ¬

3 2

ªiD º p\ fD kt º « » 1  » «iE »  J To J j¼ ¬«Z ¼»

(26)

àącząc równania napiĊü z równaniem momentów, otrzymujemy równania stanu silnika synchronicznego o magnesach trwaáych we wspóárzĊdnych ortogonalnych. Są to podstawowe równania dla przeprowadzenia analizy pracy silnika. Zmiennymi stanu są skáadowe ortogonalne wektora prądu iĮ iȕ oraz prĊdkoĞü kątowa silnika Z.

ª diD º « ddi t » « dEt » « dZ » ¬« dt ¼»

ª R L « « 0 « 3 p\ f E ˜ ¬« 2 J



R L

\

3 p ˜ 2 J

\

fE

L p

f

p

0 fD

º i

ª1

0 0º u

ªDº L ª Dº » « » \ D» « » « 1  L » ˜ «iE »  « 0 L 0 » ˜ «uE » » 1 k  t » «¬Z »¼ «¬ 0 0 J »¼ «¬ T0 »¼ J

(27)

¼

Regulacja napĊdu z silnikiem synchronicznym o magnesach trwaáych wymaga pomiaru chwilowych wartoĞci napiĊü i prądów, estymacji chwilowych wartoĞci strumienia i regulacji chwilowych wartoĞci sygnaáów wyjĞciowych. Ma to istotne konsekwencje związane z przyjĊtą teorią mocy.

5. TEORIA CHWILOWYCH WARTOĝCI MOCY UKàADU TRÓJFAZOWEGO Dyskusje nad sposobami okreĞlania mocy biernej, czynnej i pozornej w obwodach elektrycznych, szczególnie dla przebiegów odksztaáconych od sinusoidy, trwają od lat i jak moĪna rozumieü, cykle ostatnich publikacji dalekie są od zakoĔczenia. Dla okreĞlenia istoty przemian energetycznych w obwodach elektrycznych coraz bardziej wydaje siĊ konieczny bezpoĞredni pomiar oraz interpretacja mocy chwilowych i energii chwilowych. Posáugiwanie siĊ w róĪnych analizach wartoĞciami chwilowymi sygnaáów elektrycznych oraz przebiegami chwilowymi mocy i energii powinno byü standardem, gdyĪ wspóáczesne techniki pomiaru i rejestracji umoĪliwiają obserwacjĊ tych wielkoĞci i odtwarzanie ich przebiegów dla dostatecznie dáugich przedziaáów czasu. Ponadto znajomoĞü przebiegów czasowych, a wiĊc przebiegów obrazujących bezpoĞrednio stan fizyczny, umoĪliwia jednoznaczną interpretacjĊ stanu pracy praktycznie dowolnych ukáadów, w tym i ukáadów nieliniowych, parametrycznych oraz zawierających elementy sterowane, pobudzane sygnaáami o dowolnych ksztaátach. MoĪliwoĞci takich nie zapewniają analizy, bazujące na uĞrednionych pomiarach mocy i energii, wyraĪanych poprzez wartoĞci skuteczne prądów i napiĊü.

29

NapĊd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego

Istotnie w obwodzie jednofazowym przy nieokresowych przebiegach napiĊcia i prądu moĪna jednoznacznie okreĞliü jedynie moc chwilową jako iloczyn chwilowych wartoĞci napiĊcia i prądu: p t u t i t

(28)

Natomiast okreĞlenie skáadowej czynnej, biernej i wartoĞci pozornej mocy, jest trudne lub niemoĪliwe. W ukáadach elektrycznych, pomiĊdzy energią elektryczną dostarczaną do ukáadu w(t) a mocą energii, nazywaną chwilową mocą elektryczną p(t), istnieje związek w postaci: p t r

ww  t wt

(29)

Przyjmuje siĊ zazwyczaj, Īe znak „+” dotyczy przypadku, gdy energia jest w ukáadzie rozpraszana lub kumulowana, a znak „˜” wystĊpuje w przypadku dostarczania energii z zewnątrz, na przykáad z autonomicznych Ĩródeá. Zgodnie z tą definicją, moc chwilowa jest szybkoĞcią zmian energii. JeĞli wiĊc potrafimy okreĞliü moce chwilowe elementów ukáadu i ukáadu jako caáoĞci, to wykorzystując wyraĪenie (29) oraz prawo zachowania energii, wyraĪone poprzez prawo zachowania mocy chwilowych, potrafimy wyznaczyü wartoĞci chwilowe energii ukáadu i jego poszczególnych elementów, a tym samym potrafimy obserwowaü jej zmiany w okreĞlonych przedziaáach czasu. W 1983 r. ogáoszona zostaáa przez H. Akagiego, A. Nabaea oraz Y. KanazawĊ nowa teoria mocy w dziedzinie czasu, nazwana teorią chwilowej mocy biernej (ang. Instantaneous Reactive Power Theory). Teoria ta ma zastosowanie dla ukáadów wielofazowych, w których napiĊcia i prąd zapisywane są wektorowo. NajczĊĞciej stosowana jest do ukáadów trójfazowych [3, 4, 5]. Teoria ta jest zasadniczo odmienna od wszystkich innych, gdyĪ nie operuje takimi pojĊciami, jak moc czynna, bierna pozorna czy wspóáczynnik mocy w ich tradycyjnym sensie. Nie interpretuje teĪ zjawisk energetycznych w obwodzie elektrycznym. Jest to bardziej algorytm sterowania kompensatora aktywnego, niĪ teoria mocy. Realizuje bardziej cele praktyczne, niĪ poznawcze. Proponując algorytm sterowania, niewymagający analizy harmonicznej przebiegów, teoria ta wzbudziáa jednak duĪe zainteresowanie. WartoĞü chwilową mocy czynnej okreĞlamy jako iloczyn skalarny wektorów napiĊcia i prądu:

PE

3 ˜ 2

u ˜ i

3 2

˜ ¬ªuD

ªiD º uE ¼º ˜ « » ¬iE ¼

3 ˜ 2

u i

D D

 uE iE

3 2

u i cos M

S E cos M

(30)

WartoĞü chwilową mocy biernej okreĞlamy jako iloczyn wektorowy wektorów napiĊcia i prądu:

QE

3 2

˜ u u i

3 2

ªuD «i ¬D

uE º iE »¼

3 2

˜  uD iE  uE iD

3 2

u i sin M

S E sin M

(31)

30

M. Janaszek, K. Kwiatkowski

WartoĞü chwilową mocy pozornej okreĞlamy jako pierwiastek z sumy kwadratów mocy czynnej i biernej: PE2  QE2

SE

u i

3 2

D D

 u E iE   uD iE  uE iD 2

2

3 2

uD2 iD2  2uD u E iD iE  u E2 iE2  uD2 iE2  2uD u E iD iE  u E2 iD2

3 2

uD2  iD2  iE2  u E2  iD2  iE2

3 2

u

2

D

 u E2

i

2

D

 iE2

(32) 3 2

ui

WartoĞü chwilową wspóáczynnika mocy okreĞlamy jako stosunek wartoĞci chwilowych mocy czynnej i mocy biernej:

PE SE

cos M

u

uD iD  uE iE 2

D

 uE2

i

2

D

 iE2

(33)

Istotnym pojĊciem są wartoĞci chwilowe skáadowych prądu czynnej i biernej. OkreĞla siĊ je jako rzuty wektora prądu na wektor napiĊcia. WartoĞci chwilowe skáadowych prądu okreĞlamy jako: skáadową czynną

I ac

uD iD  uE iE

u

2

D

 uE2

(34)

i skáadową bierną

I re

uD iE  uE iD

u

2

D

 uE2

(35)

PowyĪsze zaleĪnoĞci zastosowane zostaáy w zapisie procedur regulacyjnych napĊdu.

6. METODA STEROWANIA PRĉDKOĝCIĄ POJAZDU Kierowanie pojazdem polega na ustalaniu przez kierowcĊ nastĊpujących wielkoĞci: 1. kierunku ruchu pojazdu, do przodu lub do tyáu; 2. prĊdkoĞci, z jaką powinien jechaü pojazd; 3. chwilowego przyspieszenia lub spowolnienia pojazdu; 4. odlegáoĞci, którą ma przejechaü pojazd. Podczas jazdy kierowca ocenia aktualną prĊdkoĞü, przyspieszenie lub spowolnienie pojazdu i we wáaĞciwy sposób reaguje, zwiĊkszając lub zmniejszając wartoĞü zadaną momentu napĊdowego. Kierowca jest wiĊc „regulatorem prĊdkoĞci pojazdu”. Ukáad na-

NapĊd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego

31

pĊdowy pojazdu stanowi dla kierowcy element wykonawczy, którego celem dziaáania jest regulowanie momentu napĊdowego lub wielkoĞci proporcjonalnej do momentu, np. prądu. W opisywanym przypadku sygnaáami wejĞciowymi napĊdu są: 1. kierunek ruchu pojazdu; 2. wartoĞü amplitudy prądów fazowych silnika synchronicznego. Taki ukáad sygnaáów wejĞciowych umoĪliwia pracĊ silnikową lub prądnicową napĊdu. (rys. 10).

Rys. 10. Obszar sterowania napĊdem w czterech üwiartkach „kierunek ruchu – prąd”: k – zadany kierunek ruchu, k = ±1; I – zadana wartoĞü amplitudy prądu Imax < I < Imax

NapiĊcia fazowe silnika są synchronizowane wzglĊdem wirnika, tak, aby poáoĪenie wektora prądu byáo prostopadáe do wektora strumienia. Przy takim ustawieniu wektorów strumienia i prądu wartoĞü momentu napĊdowego rozwijanego przez silnik jest proporcjonalna do wartoĞci prądu [6]. W napĊdzie wybrano metodĊ bezpoĞredniej regulacji prądu z modulacją wektora napiĊcia (DCC-SVM: ang. Direct Current Control with Space Vector Modulation). Zastosowanie bezpoĞredniej regulacji prądu, a nie momentu, pozwoliáo na znaczne uproszczenie programu regulacyjnego. Zrezygnowano z estymacji strumienia, co znacznie uproĞciáo program regulacyjny i przyspieszyáo jego wykonywanie. Zastosowanie czujników poáoĪenia pozwoliáo synchronizowaü prąd wzglĊdem wirnika, co powoduje, Īe moment rozwijany przez silnik jest wprost proporcjonalny do prądu. W zastosowanej metodzie DCC-SVM wartoĞcią regulowaną jest amplituda prądów fazowych silnika, a co za tym idzie, wartoĞci momentu wytwarzanego przez silnik. WartoĞü sygnaáu zadającego ustalona jest przez uĪytkownika pojazdu (peániącego rolĊ regulatora prĊdkoĞci) za pomocą pedaáów przyspieszania (gaz) i spowolniania (hamulec). WartoĞü wyjĞciowa z regulatora prądu podawana jest na modulator, który na jego podstawie wylicza czasy zaáączeĔ poszczególnych kluczy póáprzewodnikowych w ukáadzie mostka trójfazowego zasilającego silnik. Sekwencja zaáączania poszczególnych tranzystorów zsynchronizowana zaĞ jest za pomocą czujników optycznych z aktualnym poáoĪeniem waáu silnika (rys. 11).

32

M. Janaszek, K. Kwiatkowski

Komparator prądu

kierowca

Zadany kierunek prądu

PWM

k

Nr sektora

Iz

M

Regulator prądu PI

Ia

|Iz|-|I| Zadany moduá prądu

|Iz|

|Iz|

-|I|

Ib

Estymator prądu

Rys. 11. Schemat blokowy metody bezpoĞredniej regulacji prądu z modulacją wektora napiĊcia

Ukáad regulacji skáada siĊ z dwóch pĊtli: x pĊtli bezpoĞredniej regulacji amplitudy prądu; x pĊtli synchronizacji wzglĊdem poáoĪenia wirnika. Do ukáadu regulacyjnego wprowadzane są dwa sygnaáy zadające: x sygnaá okreĞlający kierunek prądu (momentu); x sygnaá zadający wartoĞü prądu (momentu). PrzyjĊta strategia sterowania zakáada, Īe w poszczególnych sektorach prąd przepáywaü bĊdzie przez dwie fazy silnika, podczas gdy trzecia faza zostanie wyáączona. KolejnoĞci zaáączanych faz okreĞla poáoĪenie wirnika, co jest toĪsame z poáoĪeniem wektora strumienia. Fazy zaáączane są tak, aby wektor prądu byá prostopadáy do wektora strumienia przy pracy silnikowej, jak i prądnicowej. Przy jeĨdzie z prĊdkoĞcią mniejszą od maksymalnej wartoĞü prądu ograniczana jest przez modulacjĊ PWM wektora napiĊcia. Kierunek przepáywu prądu w dwóch fazach w stanie zaáączenia i wyáączenia tranzystorów podczas pracy silnikowej przedstawiono na rysunku 12. Strategia ta speánia warunki podstawione przed ukáadem napĊdowym pojazdu. Zapewnia dobrą dynamikĊ i peáen komfort jazdy. Silniki nie emitują uciąĪliwych drgaĔ i haáasów, co jest waĪne zwáaszcza w przeznaczeniu pojazdu do transportu turystów. Rys. 12. Kierunek przepáywu prądu w fazach w kolejnych sektorach. Praca silnikowa: a) sektor 1 tranzystor T1 zaáączony, b) sektor 1 tranzystor T1 wyáączony, c) sektor 2 tranzystor T3 zaáączony, d) sektor 2 tranzystor T3 wyáączony, e) sektor 3 tranzystor T3 zaáączony, f) sektor 3 tranzystor T3 wyáączony, g) sektor 4 tranzystor T5 zaáączony, h) sektor 4 tranzystor T5 wyáączony, i) sektor 5 tranzystor T5 zaáączony, j) sektor 5 tranzystor T5 wyáączony, k) sektor 6 tranzystor T1 zaáączony, l) sektor 6 tranzystor T1 wyáączony

NapĊd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego

a)

b)

c)

d)

e)

f)

g)

h)

i)

j)

k)

l)

33

34

M. Janaszek, K. Kwiatkowski

Podczas pracy silnikowej napĊdu poáoĪenie wektora prądu wyprzedza poáoĪenie wektora strumienia. Prądy przepáywające przez uzwojenia dwóch kolejnych faz ustawiają wektor prądu w poáowie danego sektora. Podczas obrotu wirnika wektor strumienia jest prawie prostopadáy (z dokáadnoĞcią do 16 S ) do wektora prądu. Przemieszcza siĊ on wzglĊdem prądu w zakresie kątów od

 S  S 1 2

1 6

1 S 3

 S  S 1 2

1 6

2 S 3

do

(rys. 13, 14) (tab. 2).

Rys. 13. Schemat przeáączania prądów w poszczególnych fazach dla kolejnych sektorów wektora prądu przy pracy silnikowej napĊdu

TABELA 2 Numery zaáączanych tranzystorów przeksztaátnika podczas pracy silnikowej napĊdu Sektor Sektor prądu strumienia

Faza wejĞciowa

Faza wyjĞciowa

Faza nieczynna

Tranzystor zaáączany 1

Tranzystor zaáączany 2

1

5-6

A

C

B

T1/T2

T6

2

6-1

B

C

A

T3/T4

T6

3

1-2

B

A

C

T3/T4

T2

4

2-3

C

A

B

T5/T6

T2

5

3-4

C

B

A

T5/T6

T4

6

4-5

A

B

C

T1/T2

T4

C

Sektor 5

16%

ic

Sektor 2

I ia

A

B

C

ib

ic

Sektor 5

I

Sektor 2

Sektor 2

16%

A

B

C

ia

I

ib

17%

Sektor 5

Sektor 2

Sektor 3

Rys. 14. PoáoĪenie wektorów prądu i strumienia twornika w kolejnych sektorach przy pracy silnikowej napĊdu

B

Sektor 1

NapĊd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego

A

35



36

Rys. 15. PoáoĪenie wektorów prądu i strumienia twornika w kolejnych sektorach przy pracy prądnicowej napĊdu

M. Janaszek, K. Kwiatkowski

37

NapĊd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego

Podczas pracy prądnicowej napĊdu poáoĪenie wektora prądu opóĨnia siĊ za poáoĪeniem wektora strumienia. Analogicznie do pracy silnikowej, prądy przepáywające przez uzwojenia dwóch kolejnych faz ustawiają wektor prądu w poáowie danego sektora. Podczas obrotu wirnika wektor strumienia jest prawie prostopadáy (z dokáadnoĞcią do 16 S ) do wektora prądu. Przemieszcza siĊ on wzglĊdem prądu w zakresie kątów od

 12 S  16 S

2 S 3

do

 12 S  16 S

1 S 3

(rys. 15) (tab. 3).

TABELA 3 Numery zaáączanych tranzystorów przeksztaátnika podczas pracy prądnicowej napĊdu Sektor Sektor Faza prądu strumienia wejĞciowa

Faza wyjĞciowa

Faza nieczynna

Tranzystor zaáączany 1

Tranzystor zaáączany 2

1

2-3

A

C

B

T1/T2

T6

2

3-4

B

C

A

T3/T4

T6

3

4-5

B

A

C

T3/T4

T2

4

5-6

C

A

B

T5/T6

T2

5

6-1

C

B

A

T5/T6

T4

6

1-2

A

B

C

T1/T2

T4

Rys. 16. Oznaczenie sektorów silnika we wspóárzĊdnych trójfazowych

PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 262, 2013

38

M. Janaszek, K. Kwiatkowski

7. BADANIA SYMULACYJNE NAPĉDU POJAZDU W celu weryfikacji przyjĊtej metody sterowania silnikami, zbudowany zostaá model symulacyjny ukáadu napĊdowego. Model symulacyjny ukáadu zawiera: x model silnika synchronicznego o magnesach trwaáych; x model przeksztaátnika tranzystorowego; x model pĊtli regulacyjnych realizujących metodĊ bezpoĞredniej regulacji prądu z modulacją wektora napiĊcia (DCC-SVM). Do obliczeĔ przyjĊto parametry odpowiadające parametrom zbudowanych modeli doĞwiadczalnych silników: rezystancja faz R = 0,3 :ҏҏ indukcyjnoĞü faz L = 1 mH; staáa napiĊciowa ke = 5,0 V/rad/s; staáa momentowa km = 5,0 Nm/A; moment bezwáadnoĞci wirnika J = 0,4 kgm2. PrzyjĊto moment bezwáadnoĞci pojazdu sprowadzony do waáu silnika J = 30 kgm2. PrzyjĊto teĪ wspóáczynniki oporu ruchu k1

T

Z

Nm 1 rad ; /s

k2

T

Z2

0.1 radNm/ s 2 ;

k3

T

Z3

0.01 radNm/ s 3 ;

Obliczane byáy przebiegi czasowe sygnaáów podczas cyklu pracy záoĪonego z rozruchu do wartoĞci ustalonej dodatniej prĊdkoĞci oraz nawrotu od wartoĞci ustalonej dodatniej prĊdkoĞci do wartoĞci ustalonej ujemnej. Symulowany czas pracy wynosiá 25 s. Sygnaá zadający prąd, zawieraá w sobie informacjĊ o kierunku prądu i zadanej wartoĞci moduáu wektora prądu. Zadawano prąd +50 A (ruch do przodu), a nastĊpnie nawrót (od +50 A do -50 A). Poszczególne przebiegi (rys. 17, 18, 19) przedstawiają: x przebieg momentu napĊdowego i prĊdkoĞci obrotowej podczas rozruchu, jazdy ze staáą prĊdkoĞcią, a nastĊpnie nawrotu. WartoĞü momentu podczas rozruchu i nawrotu osiąga przyjĊtą wartoĞü maksymalną 250 Nm. Przyspieszenie osiąga wartoĞü a 2 sm2 , zgodną z wymaganiami (rys. 17a); x moc mechaniczną silnika, dodatnią podczas rozruchu i jazdy do przodu i do tyáu, która zmienia swój znak podczas nawrotu, co oznacza oddawanie energii elektrycznej do akumulatorów, czyli hamowanie generatorowe (rys. 17b); x przebiegi prądów: obwodu poĞredniczącego, moduáu prądu i prądów fazowych (rys. 17c i d); x przebieg napiĊcia zasilającego pokazuje jego spadek od wartoĞci znamionowej podczas rozruchu i jazdy ze staáą prĊdkoĞcią (rys. 17e). Chwilowy wzrost napiĊcia podczas nawrotu Ğwiadczy o hamowaniu generatorowym. Rysunek 18 pokazuje obliczone przebiegi podczas przechodzenia prĊdkoĞci obrotowej przez zero, w czasie 2,5 s. Rysunek 19 pokazuje obliczone przebiegi podczas skokowej zmiany kierunku prądu. Czas obliczeĔ 2 s. Na tych rysunkach, przy rozszerzonej podstawie czasu, wygodnie jest obserwowaü przebiegi prądów fazowych. Wyniki przeprowadzonych symulacji w peáni odzwierciedlają zachowanie siĊ rzeczywistego ukáadu napĊdowego.

NapĊd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego a)

b)

c)

d)

e)

Rys. 17. Przebiegi czasowe podczas rozruchu i nawrotu silnika: a) moment, prĊdkoĞü, sygnaá zadający prąd; b) moc mechaniczna napĊdu; c) prąd obwodu poĞredniczącego, moduá prądu; d) prąd fazy A, fazy B, fazy C; e) napiĊcie zasilające DC

39

40

M. Janaszek, K. Kwiatkowski

a)

b)

c)

d)

e)

f)

g)

Rys. 18. Przebiegi czasowe podczas nawrotu przy przejĞciu prĊdkoĞci przez zero: a) moment, prĊdkoĞü, sygnaá zadający prąd; b) moc mechaniczna napĊdu; c) prąd obwodu poĞredniczącego, moduá prądu; d)prąd fazy A; e)prąd fazy B; f) prąd fazy C; g) napiĊcie zasilające DC

NapĊd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego

a)

b)

c)

d)

e)

f)

g)

Rys. 19. Przebiegi czasowe podczas zmiany kierunku prądu zadającego ±50 A: a) moment, prĊdkoĞü, sygnaá zadający prąd; b) moc mechaniczna napĊdu; c) prąd obwodu poĞredniczącego, moduá prądu; d) prąd fazy A; e) prąd fazy B; f) prąd fazy C; g) napiĊcie zasilające DC

41

42

M. Janaszek, K. Kwiatkowski

8. BADANIA DOĝWIADCZALNE NAPĉDU POJAZDU Badania doĞwiadczalne napĊdu pojazdu przeprowadzano podczas jazd testowych po terenie Instytutu Elektrotechniki w Warszawie. Mierzone i rejestrowane byáy w pamiĊci oscyloskopu nastĊpujące przebiegi czasowe sygnaáów: 1. NapiĊcie przewodowe miĊdzy fazami A–B; 50 V/dz. 2. NapiĊcie przewodowe miĊdzy fazami A–C; 50 V/dz. 3. Prąd fazy A 20 A/dz. 4. Prąd fazy B 20 A/dz. Podstawa czasu zmieniana byáa w zaleĪnoĞci od rodzaju pracy 25 ms/dz lub 500 ms/dz. WartoĞü napiĊcia zasilającego z akumulatorów wynosiáa 105 V. Badania wykonywane byáy podczas róĪnych warunków jazdy. Dla przykáadu przedstawiono przebiegi podczas jazd: x jazda do przodu z maksymalną prĊdkoĞcią (rys. 20). PoniewaĪ siáa elektromotoryczna silnika jest duĪa, pĊtla regulacyjna prądu jest przerwana i modulator PWM nie pracuje. PrĊdkoĞü kątowa silników ograniczana jest wartoĞcią napiĊcia zasilającego. WartoĞü prądu zasilającego silnik odpowiadająca momentowi równemu oporom ruchu, jest mniejsza od wartoĞci zadanej prądu;

Rys. 20. Przebiegi napiĊü i prądów w napĊdzie koáa prawego. Jazda do przodu z peáną prĊdkoĞcią: 1 – napiĊcie przewodowe miĊdzy fazami A-B; 50 V/dz; 2 – napiĊcie przewodowe miĊdzy fazami A-C; 50 V/dz; 3 – prąd fazy A: 20 A/dz; 4 – prąd fazy B: 20 A/dz. Podstawa czasu 25 ms/dz

x jazda do przodu z prĊdkoĞcią mniejszą od maksymalnej (rys. 21). PoniewaĪ siáa elektromotoryczna silnika jest mniejsza od napiĊcia zasilającego, pracuje pĊtla regulacyjna prądu i regulator PWM obniĪa wartoĞü napiĊü fazowych. WartoĞü prądu zasilającego silnik odpowiadająca momentowi równemu oporom ruchu jest zgodna z wartoĞcią zadaną prądu;

NapĊd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego

43

Rys. 21. Przebiegi napiĊü i prądów w napĊdzie koáa prawego. Jazda do przodu z niepeáną prĊdkoĞcią: 1 – napiĊcie przewodowe miĊdzy fazami A-B; 50 V/dz; 2 – napiĊcie przewodowe miĊdzy fazami A-C; 50 V/dz; 3 – prąd fazy A: 20 A/dz; 4 – prąd fazy B: 20 A/dz. Podstawa czasu 25 ms/dz

x przejĞcie od jazdy ze staáą prĊdkoĞcią (maksymalną) do jazdy wybiegiem (rys. 22). Zadanie wartoĞci prądu równej zeru powoduje, Īe prąd w fazach silnika przestaje páynąü. PĊtla regulacyjna prądu ogranicza wartoĞci prądów do zera. Modulator PWM dostraja wartoĞci napiĊü fazowych do wartoĞci siá elektromotorycznych;

Rys. 22. Przebiegi napiĊü i prądów w napĊdzie koáa prawego. Jazda do przodu wybiegiem: 1 – napiĊcie przewodowe miĊdzy fazami A-B; 50 V/dz; 2 – napiĊcie przewodowe miĊdzy fazami A-C; 50 V/dz; 3 – prąd fazy A: 20 A/dz; 4 – prąd fazy B: 20 A/dz. Podstawa czasu 25 ms/dz

44

M. Janaszek, K. Kwiatkowski

x rozruch silnika od prĊdkoĞci zerowej do maksymalnej (rys. 23). Podczas rozruchu pĊtla regulacji prądu ogranicza prądy fazowe do wartoĞci 50 A. Po osiągniĊciu prĊdkoĞci bliskiej maksymalnej, pĊtla regulacji prądu zostaje przerwana, a wartoĞci prądów fazowych silnika odpowiadają momentowi równemu oporom ruchu. WartoĞü prądu jest mniejsza od wartoĞci zadanej prądu.

Rys. 23. Przebiegi napiĊü i prądów w napĊdzie koáa prawego. Jazda do przodu z peáną prĊdkoĞcią: 1 – napiĊcie przewodowe miĊdzy fazami A-B; 50 V/dz; 2 – napiĊcie przewodowe miĊdzy fazami A-C; 50 V/dz; 3 – prąd fazy A: 20 A/dz; 4 – prąd fazy B: 20 A/dz. Podstawa czasu 500 ms/dz

Zarejestrowane przebiegi czasowe napiĊü i prądów dokumentują poprawną, zgodną z zaáoĪeniami pracĊ napĊdu pojazdu.

9. WNIOSKI NapĊd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego, opracowany w Instytucie Elektrotechniki w Warszawie, charakteryzuje siĊ nastĊpującymi cechami: x w napĊdzie pojazdu zastosowano dwa silniki synchroniczne o magnesach trwaáych z wirnikiem zewnĊtrznym. Są to silniki momentowe, wolnobieĪne, zamontowane bezpoĞrednio bez przekáadni mechanicznej w kole napĊdowym pojazdu. Takie rozwiązanie znacznie zmniejsza opory ruchu oraz pozwala na jazdĊ wybiegiem; x zastosowano mikroprocesorowy ukáad regulacyjny, sterujący dwoma przeksztaátnikami tranzystorowymi, zasilającymi dwa silniki synchroniczne. Jeden program regulacyjny realizuje sterowanie dwóch ukáadów napĊdowych. Zapewnia pracĊ silnikową i prądnicową z moĪliwoĞcią regulacji momentu (prądu)

NapĊd pojazdu turystycznego osobowo-towarowego

45

i zmian prĊdkoĞci kątowej oraz realizuje elektronicznie (programowo) ukáad róĪnicowy napĊdów; x pod wzglĊdem regulacyjnym jest to ukáad napĊdowy dwusilnikowy, w którym pĊtle regulacyjne realizowane są przez jeden program regulacyjny i wykonywane przez jeden procesor sygnaáowy. Takie rozwiązanie upraszcza ukáad sprzĊtowy, gdyĪ ukáad tradycyjny wymagaáby trzech procesorów: dwóch sterujących napĊdami i jednego nadrzĊdnego oraz trzech programów regulacyjnych pracujących synchronicznie.

Praca finansowana byáa przez NCBiR z projektu nr NR01 0005 10.

LITERATURA 1. Janaszek M., Moradewicz A.: NapĊdy z silnikami synchronicznymi o magnesach trwaáych do pojazdów turystycznych. Ogólnopolska Konferencja Naukowa „Modelowanie, Symulacja i Zastosowania w Technice – MSiZwT”, KoĞcielisko, 13-17 czerwca 2011, materiaáy konferencyjne str. 89-94. 2. Zawirski K.: Sterowanie silnikiem synchronicznym o magnesach trwaáych. Wydawnictwa Politechniki PoznaĔskiej, PoznaĔ, 2005. 3. Akagi H., Kanazawa Y., Nabae A.: Generalized theory of the instantaneous reactive power in three-phase circuits. JIEE JPEC-Tokyo, 1983, p. 1375. 4. Akagi H., Kanazawa Y., Nabae A.: Instantaneous Reactive Power Compensators Comprising Switching Devices without Energy Storage Components. IEEE Trans. on In. App. no 3/1984. 5. Akagi H., Nabae A.: The p-q Theory in Three-Phase Systems under Non-Sinusoidal Conditions. ETEP vol. 3, 1/1993. 6. KaĨmierkowski M. P., Krishnan R., Blaabjerg F.: Control In Power Electronics. Selected Problems. Academic Press 2002. RĊkopis dostarczono dnia 22.05 2013 r.

THE DRIVE OF THE TOURIST VEHICLE PASSENGER-CARGO

Michaá JANASZEK Kamil KWIATKOWSKI ABSTRACT Article presents the concept of the drive of the tourist vehicle, passenger-cargo with a total weight up to one ton. The drive consists of two convertors controlled by one control circuit, and two motors

46

M. Janaszek, K. Kwiatkowski mounted in the wheels of the vehicle. In the drive uses permanent magnet synchronous motors with the reverse construction. With external rotor which is connected directly to a wheel. The control method supports on one program control of two inverters has been discussed. The simulation and experimental research of the system has been presented. Keywords: electric vehicles, electric drive, permanent magnet synchronous motor

Dr inĪ. Michaá JANASZEK – w roku 1974 ukoĔczyá studia na wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej, uzyskując dyplom mgr. inĪ. elektryka ze specjalnoĞcią automatyka. W paĨdzierniku 1974 r. rozpocząá pracĊ w Instytucie Elektrotechniki w Zakáadzie Elektrycznych NapĊdów Obrabiarkowych. Specjalizowaá siĊ w napĊdach prądu staáego z tranzystorowymi wzmacniaczami mocy dla obrabiarek sterowanych numerycznie i robotów przemysáowych.  Zajmowaá siĊ identyfikacją parametrów dynamicznych maszyn prądu staáego oraz numerycznym modelowaniem dynamiki w syntezie ukáadów napĊdowych. Braá udziaá w opracowaniu i przygotowaniu do produkcji napĊdów dla robotów przemysáowych typu IRb, za co otrzymaá nagrodĊ zespoáową stopnia III MHiPM za rok 1986. Od lat osiemdziesiątych zajmuje siĊ napĊdami z silnikami synchronicznymi, w szczególnoĞci problemami optymalizacji sterowania. RozprawĊ doktorską „Problemy bezpoĞredniej regulacji momentu i strumienia silnika synchronicznego o magnesach trwaáych” obroniá w roku 2001, uzyskując stopieĔ naukowy doktora. Jest autorem lub wspóáautorem kilkudziesiĊciu publikacji z zakresu napĊdu elektrycznego. Od kilku lat zajmuje siĊ napĊdami przeznaczonymi dla pojazdów osobowych, towarowych lub turystycznych. Jest czáonkiem Polskiego Towarzystwa Elektrotechniki Teoretycznej i Stosowanej.

Mgr inĪ. Kamil Szymon KWIATKOWSKI – w 2010 roku ukoĔczyá studia na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej. Od 2011 roku jest pracownikiem Zakáadu NapĊdów Elektrycznych Instytutu Elektrotechniki. Obecnie jego gáównym obszarem zainteresowania są ukáady napĊdowe przeznaczone do pojazdów elektrycznych.