Миколаїв В.В. Рибников В.А.
Розглядаються принципи роботи стартер-генераторного пристрою автономного об'єкта на базі вентильно-індукторної машини. Проведено дослідження режимів роботи вентильно-індукторного стартер-генератора на основі математичного моделювання. Запропоновано вирішення проблем розширення діапазону робочих швидкостей в стартерном і генераторному режимах.
Введення
Автомобіль є одним з найбільш масових видів автономних об'єктів. Пуско-генераторна установка автомобіля, як і на початку XX століття, складається з двох незалежних пристроїв - синхронного генератора і стартера на основі двигуна постійного струму. За такий великий проміжок часу ці пристрої не зазнали значних змін. Поряд з цим, розвиток автомобільної промисловості демонструє швидке зростання кількості енергоспоживачів в нових моделях автомобілів, що вимагає постійного підвищення потужностей їх генераторних установок. Необхідно відзначити, що в більшості випадків привід генератора здійснюється за допомогою ремінної передачі, ресурс якої і передаваний момент обмежені.
Рішенням завдання збільшення потужності одночасно зі збільшенням ресурсу генераторної установки і зменшення маси двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ) може послужити інтегрований стартер-генератор на основі вентильно-індукторної електричної машини. Він встановлюється безпосередньо на колінчастий вал ДВЗ, що дозволяє значно збільшити надійність системи за рахунок відмови від великого числа зношенню.
У стартерном режимі таке рішення дозволяє відмовитися від традиційно вживаного редуктора, що є маховиком ДВС, завдяки чому запуск двигуна відбувається швидше і з меншим рівнем шумів. Це також дозволяє реалізувати систему "стоп-старт", що заощаджують паливо під час зупинки автомобіля, яка заглушає ДВС, якщо машина простоює довше певного проміжку часу і пускає двигун з початком руху.
Генератор також може використовуватися як електромагнітне гальмо при невисоких ступенях гальмування, що сприяє економії палива за рахунок рекуперації енергії. Сумарна економія палива, а значить і зменшення кількості шкідливих викидів, з використанням інтегрованого стартер-генераторного пристрою (ІСГУ) на базі вентильно-індукторної електричної машини, як свідчать зарубіжні дослідження [1], [2], може досягати 20%.
Вентильно-індукторних машина (ВІМ)
Вентильно-індукторних машина відноситься до класу синхронних реактивних машин з вентильним управлінням. У світовій технічній літературі ВІМ позначається як Switched Reluctance Machine (SRM) і являє собою сукупність електромеханічного перетворювача енергії - індукторної машини (ІМ) (рис.1) - і електронного блоку керування (рис.2). Необхідними складовими блоку управління є:
блок управління комутацією, що містить алгоритм і систему управління електронним комутатором;
датчики положення ротора та струму фази, які можуть виконуватися інтегрованими з блоком управління комутацією;
електронний комутатор, який би підключення обмоток індукторної машини до джерела живлення.
Рис.1 Конструкція індукторної машини конфігурації 6 / 4.
Рис.2 Схема блоку керування ВІМ.
Статор і ротор ІМ - зубчасті з шіхтованной електротехнічної сталі. Обмотка статора ІМ виконується у вигляді зосереджених, розміщених на зубцях котушок, що забезпечує високу технологічність їх виготовлення. Ротор ІМ не має обмотки, що підвищує надійність і зменшує вартість ВІМ в порівнянні з іншими типами вентильного приводу. Конфігурацію ВІМ прийнято позначати дробом, у чисельнику якого вказують число зубців статора, а в знаменнику число зубців ротора.
Принцип дії ІМ заснований на реактивному взаємодії зубців статора і ротора. Зубці ротора ІМ, під дією протікає в котушках фази струму, намагаються зайняти положення, відповідне найбільшим значенням енергії магнітного поля, що відповідає режиму двигуна. Потокозчеплення котушок залежать від взаємного кутового положення зубців статора і ротора (за прийнято рассогласованного положення зубців) і струму котушок I (рис.3).
Рассогласованного становищем сердечників статора і ротора для деякої фази ІМ називається такий стан, при якому зубці фази розташовуються строго напроти пазів ротора. Це положення характеризується мінімальним значенням індуктивності фази і магнітного потоку, зчепленого з нею, що пояснюється максимальним значенням магнітного опору зазору між сердечниками.
Узгодженим становищем сердечників статора і ротора ІМ для будь-якої фази називається такий стан, при якому зубці фази розташовуються строго напроти полюсів ротора. Це положення характеризується максимальним значенням індуктивності фази та зчепленого з нею магнітного потоку, що визначається мінімальною величиною магнітного опору зазору між сердечниками.
Рис.3 Залежність потокозчеплення котушки ІМ (18/12) від кутового положення та струму.
Момент, що розвивається ІМ згідно [3] за методом віртуальних переміщень:
Момент, що діє на ротор, може бути також визначений з розрахунку магнітного поля ІМ за допомогою виваженого тензора натягнення (Weighted Stress Tensor) за [4], [5]. Метод розрахунку зусиль на основі зваженого тензора натягнення базується на об'ємному інтегралі тензора натягнення Максвелла для вакууму, по тонкій оболонці S, що охоплює рухливий елемент. Сумарне зусилля, що діє на рухливий елемент електричної машини (ротор), визначається за цим методом як:
, Де 
Реалізація даного методу дозволяє розраховувати момент (МТН рис.4), створюваний електричної машиною, більш точно, ніж за методом віртуальних переміщень (Мвм рис.4).
Рис.4 Залежність моменту ВІМ конфігурації 18/12 в залежності від кутового положення зубців статора і ротора.
У руховому режимі імпульс напруги від джерела живлення через ключі S1, S2 (рис.2) подається на обмотку фази А в момент, коли зубці статора і ротора знаходяться в близькому до рассогласованного положенні (I рис.5). При підході зубців до узгодженого стану (II рис.5) ключі S1 і S2 розмикаються, і до обмотки фази через діоди D1, D2 прикладається напруга протилежного знаку, що сприяє гасінню магнітного поля фази до досягнення зубцями узгодженого положення. До моменту, коли зубці займуть узгоджене положення, струм і потокозчеплення фази повинні бути дорівнює нулю, інакше буде створюватися гальмівний момент. Послідовно перемикаючи котушки ІМ в порядку А, В, С (рис.1) відповідно до показань датчика положення ротора отримують безперервне перетворення енергії. Напрямок обертання ротора при цьому буде протилежний напрямку перемикання фаз. Основні положення, пов'язані з руховому режиму ВІМ, описані в [2], [3], [6].
Рис.5 Стартерний режим роботи ВІМ
Для переходу до генераторного режиму ВІМ необхідно змістити час подачі імпульсу напруги в момент узгодженого стану або при підході до нього (I і II рис.6). З цією метою при підході до узгодженого стану (II рис.6) (ротор генератора обертається під дією зовнішнього моменту) замикають ключі S1 і S2, підключаючи фазу А до джерела живлення. Імпульс напруги, поданий на котушки фази, створить магнітний потік, що є потоком збудження генератора. Механічний момент при цьому практично дорівнює нулю. По досягненню певного кута або певного рівня струму ключі S1 і S2 розмикаються. У обмотці фази створюється ЕРС, під дією якої відкриваються діоди D1 і D2. При подальшому переміщенні зубців ротора щодо зубців статора індуктивність фази зменшується, що призводить до збільшення ЕРС, яка старається підтримати потокозчеплення фази постійним. Через навантаження (рис.2) і котушки фази під дією ЕРС генератора потече струм, що створює гальмівний момент на валу генератора (рис.6). Як і в руховому режимі, безперервне перетворення енергії досягається шляхом комутації фаз відповідно до показань датчика положення ротора.
Рис.6 Генераторний режим роботи ВІМ
Регулювання вихідної напруги генератора здійснюється зміною тривалості режиму порушення за показаннями датчика положення ротора. У тих випадках, коли точність регулювання по куті комутації недостатня, її здійснюють за показаннями датчиків струму, які також служать для регулювання струмів в стартерном режимі з метою їх обмеження. Генераторні режими ВІМ для різних умов експлуатації обговорюються в [7], [8], [9].
Стартер-генераторне пристрій на основі ВІМ
Стартер-генератор - це електрична машина, призначена для короткочасної роботи в руховому режимі і тривалої роботи в режимі генератора. Стартер-генератор автомобіля, крім цього, повинен забезпечувати короткочасний бустерний режим, при якому на валу ДВЗ створюється додатковий руховий момент.
Стартер-генератор на базі ВІМ - вентильно-індукторний стартер-генератор (ВІСГ) - має ряд особливостей в порівнянні з ВІМ загального призначення, пов'язаних як з конструкцією, так і з режимами роботи.
ВІСГ має великий діаметр валу ротора, що викликано інтеграцією його з диском зчеплення автомобіля. Зчеплення розміщується всередині ротора ВІСГ, який також виступає маховиком ДВС. Довжина активної частини, як правило, невелика і обумовлена розміщенням ВІСГ в автомобілі.
Діапазон швидкостей обертання ВІСГ, як у стартерном, так і в генераторному режимі, повинен бути широким і повністю покривати діапазон робочих швидкостей обертання ДВС. Особливість ВІСГ полягає в тому, що існує діапазон швидкостей обертання, при яких ВІМ повинна працювати і як стартер, і як генератор, що виключається при проектуванні ВІМ на один з режимів (рис.7а). Таким чином, діапазони робочих швидкостей стартера і генератора повинні взаємно перекриватися (рис.7б).
Рис.7 Діапазони робочих швидкостей ВІМ і ВІСГ
ВІСГ автомобіля повинен володіти високим пусковим моментом, що в сумі з низькою напругою живлення, обумовленим низькою напругою бортової мережі, і широким робочим діапазоном частот обертання, ускладнює його проектування.
Математичне моделювання процесів в ВІСГ
Процеси, що відбуваються в ВІСГ, зважаючи на своїй складності і нелінійності, не можуть бути розглянуті на основі аналітичних виразів і залежностей. Цим також пояснюється складність проектування даного класу машин. Структура статора і ротора повинні бути принципово зубчастими, інакше стає неможливим перетворення енергії на основі реактивного моменту. Магнітне поле ВІМ носить більш складний характер, ніж у традиційних машинах [3].
Розглянути процеси електромеханічного перетворення енергії в ВІМ можна шляхом математичного моделювання електромеханічної системи, що включає в себе ІМ, і блок управління.
При цьому беруться такі припущення:
взаємна індуктивність фаз дорівнює нулю, так як комутація фаз ВІСГ симетрична одиночна;
втрати в сталі і механічні втрати ВІМ не враховуються;
ключі блоку комутації вважаються ідеальними, тобто здійснюють комутацію без тимчасових затримок і падіння напруги на них;
демпфуюча ємність приймається нескінченно великий;
навантаження в генераторному режимі вважається активною.
В основу математичної моделі покладені нелінійні диференціальні рівняння електричного кола містить змінні індуктивності обмоток та рівняння руху.
Рівняння для стартерного режиму
Рівняння електричного кола для однієї фази
, Де
- Потокозчеплення фази ІМ;
- Опір фази ІМ;
- Нелінійна залежність струму фази від потокозчеплення і взаємного положення зубців статора і ротора.
- Залежність напруги на фазі ІМ від часу, формована за алгоритмом комутації фаз.
Залежність визначається з розрахунку магнітного поля ВІМ, з урахуванням нелінійностей магнітних провідностей сталі, шляхом сплайн-апроксимації точок поверхні. На основі даної залежності будується залежність, що дозволяє однозначно визначити струм фази ВІМ по потокозчеплення котушки і відносного положенню зубців
Рівняння руху:
Рівняння для генераторного режиму
Рівняння електричного кола для однієї фази
Математична модель будується на спільному інтегруванні рівнянь напруги електричного кола для всіх фаз і рівняння руху:
,
де
T - час інтегрування;
N-число точок інтегрування.
При наявності характеристик, для розглянутої конфігурації ВІМ, математична модель дозволяє досить швидко моделювати необхідні процеси в ВІМ як у руховому, так і в генераторному режимах. У даній моделі також можливий облік втрат в сталі шляхом введення в електричний ланцюг додаткового опору, еквівалентного втрат у сталі. Поряд з урахуванням багатьох ефектів, що мають нетривіальне опис, модель вимагає розрахунку характеристики, визначеної з розрахунку магнітного поля за допомогою сучасної обчислювальної техніки і розвинених програмних засобів типу Flux 2D/3D, Opera, Femme і т.д.
Результати математичного моделювання
Стартерний режим
Моделювання стартерного режиму вироблялося пуском ВІСГ на холостому ходу з застосуванням DC / DC перетворювача, що забезпечує завдання напруги в залежності від швидкості (рис. 8). Підвищення напруга живлення ВІСГ (напруга бортової мережі автомобіля 36В) застосовується для розширення діапазону робочих швидкостей обертання в стартерном режимі з метою забезпечення бустерного режиму. Отримання цього діапазону робочих швидкостей можливо також за допомогою зменшення числа витків обмотки на етапі проектування, але одночасно з цим відбудеться зменшення пускового моменту, внаслідок чого ВІСГ не буде відповідати технічним вимогам.
У пусковому режимі ток ВІСГ обмежений тільки активним опором, що може призвести до виходу з ладу акумуляторної батареї, від якої здійснюється харчування ВІСГ, і силової електроніки. Для запобігання аварійних ситуацій струм, споживаний ВІСГ, обмежується (рис.9) шляхом комутації напруги живлення відповідно до показань датчиків струму. В іноземній літературі [2] даний режим називається - Current Control Chopping. Таким чином, електронні ключі повинні вибиратися з розрахунку, що робоча частота комутації може в сотні разів перевершувати частоту комутації фаз на даній швидкості. Для ВІМ конфігурації 18/12 на швидкості 500 об / хв частота комутації фази без токоограніченія становить 100Гц, а з урахуванням токоограніченія, в залежності від точності регулювання, від 2 до 20 кГц.
Момент, що розвивається ВІСГ при пуску, також обмежується (рис. 10). Це викликає необхідність у збільшенні числа витків обмотки, для створення необхідного моменту при заданому обмеженні струму, і підвищенні напруги живлення на високих швидкостях обертання.
На рис.9 представлена механічна характеристика, отримана при математичному моделюванні стартерного режиму ВІСГ (Мср), а також необхідна механічна характеристика (Мт.з). Як видно із залежності миттєвого значення моменту (Ммгн рис. 10), ВІСГ володіє значними пульсаціями моменту, що є недоліком всіх ВІМ з одинарною симетричної комутацією. Внаслідок великого моменту інерції ДВС, цей чинник не має негативного впливу на роботу стартера.
Рис. 8 Залежність регулювання напруги живлення від швидкості.
Рис. 9 Залежність миттєвого (Iмгн) та середнього (Iср) значення споживаного струму фази від швидкості
Рис.10 Залежність миттєвого (Ммнг), середнього (Мср) і заданого (Мт.з) моменту двигуна від швидкості
Генераторний режим
На низьких швидкостях обертання ротора, в генераторному режимі, ЕРС генератора виявляється нижче необхідного значення. При цьому не відбувається збільшення значення струму після припинення збудження, як на рис.6. Для забезпечення роботи генератора в подібних режимах, режим збудження багаторазово чергується з режимом генерації протягом всього часу роботи фази (рис.11). Даний режим комутації схожий з режимом обмеження струму в стартерном режимі. Відмінність полягає в тому, що струм фази не обмежується, а підтримується на певному рівні. Середнє значення ЕРС при цьому виявляється в необхідних межах, що дозволяє використовувати ВІСГ на низьких швидкостях, і відрізняє його від індукторного генератора без вентильного управління, нездатного працювати в даних швидкісних режимах.
На середніх швидкостях обертання ЕРС генератора викликає наростання струму фази після припинення збудження (точці закінчення збудження відповідає точка з струмом 100А рис.12). На рис. 12 представлена енергетична діаграма для швидкості обертання 5000 об / хв і, для порівняння, для швидкості 1000 об / хв. Порушення при цьому проводиться до значень струму, значно меншого, ніж при низьких швидкостях. Стрілками показано напрямок зміни потокозчеплення протягом циклу комутації фази. Енергетична діаграма дозволяє також визначити середнє значення моменту, який пропорційний площі, охоплюваній годографом , I.
На рис.13 представлені статичні характеристики генератора в залежності від швидкості, і потужність збудження, необхідна для роботи генератора. Як видно з наведених залежностей, на низьких швидкостях обертання генератор споживає потужність збудження, що перевищує корисну вихідну потужність в 3 рази. Це пов'язано з режимом підтримки струму фази на певному рівні. Незважаючи на це, ККД генератора складає близько 70%, внаслідок того, що потужність збудження, запасена в електромагнітному полі, витрачається тільки на втрати в опорах фаз і перекачується між фазами ВІСГ. Втрати на порушення обумовлені виключно втратами в обмотках статора і втратами в сталі.
При зниженні швидкості нижче критичної швидкості, генератор не здатний забезпечити вихідну потужність навіть при високій потужності збудження, що викликане низьким значенням ЕРС генератора. Нижче швидкості обертання 2000 об / хв потужність генератора ставати менш заданих 4 кВт (рис.13). Таким чином, перетворювач частоти і генератор необхідно проектувати з урахуванням того, що прохідна потужність може в кілька разів перевищувати номінальну потужність генератора, якщо він призначений для експлуатації на низьких швидкостях обертання.
Із зростанням швидкості обертання, ЕРС генератора, викликана переміщенням зубців ротора щодо зубців статора, зростає пропорційно швидкості обертання. Необхідна потужність збудження при цьому зменшується.
Понад швидкості 6500 об / хв (рис.13) вихідна потужність генератора має тенденцію до зниження, що викликано неможливістю створення необхідного потоку збудження котушки. Зростання швидкості обертання зменшує час комутації, внаслідок чого струм збудження не встигає досягти необхідного значення. Швидкість зростання струму обмежується ЕРС, викликаної зміною струму в обмотці. Для подолання даного обмеження, початок подачі імпульсу збудження зміщують в область рухового режиму, проте в даній області швидкого наростання струму перешкоджає значна ЕРС обертання. Іншим способом підвищення потужності генератора на високих швидкостях може бути збільшення напруги збудження, аналогічно стартерного режиму (рис.7).
Рис.11 Залежність струму, потокозчеплення й індуктивності фази від часу (1000 об / хв 4кВт)
Рис.12 Енергетична діаграма генераторного режиму на частоті обертання 1000 і 5000 об / хв (навантаження 4 кВт)
Рис. 13 Потужність збудження і вихідна потужність генератора в залежності від швидкості.
Висновок
Результати проведених досліджень показують, що вентильно-індукторних машина може функціонувати як стартер-генератор ДВС. Для забезпечення необхідних показників, що задовольняють режимам стартера і генератора, необхідно проводити регулювання напруги живлення в стартерном режимі і напруги збудження в генераторному. При проектуванні ВІСГ необхідно враховувати, що необхідна потужність електронного комутатора може перевищувати номінальну потужність генератора в 3-5 разів для забезпечення роботи генератора на низьких частотах обертання.
У стартерном режимі потрібно контролювати значення струмів у фазах ВІМ, для чого, з метою запобігання пошкодження джерела живлення, реалізується обмеження споживаного струму. У генераторному режимі, для підтримки необхідного струму збудження, реалізується схожий режим комутації. Для реалізації даних режимів, електронні ключі повинні вибиратися з розрахунку, що частота комутації, в залежності від необхідної точності регулювання, може в сотні разів перевершувати частоту комутації фаз на даній швидкості без обмеження струму.
Список літератури
A. de Vries, Y. Bonnassieux, M. Gabsi, E. Hoang, F. d-Oliveira, Cedric Plasse, A SWITCHED RELUCTANCE MACHINE FOR A CAR STATER ALTERNATOR SYSTEM / / IEEE International Electric Machines and Drives Conference 2001, pp.323-329.
Gabriel Gallegos-Lopez, James Walters, Kaushik Rajashekara, Switched Reluctance Machine Control Strategies for Automotive Applications / / SAE World Congress, March 5-8, 2001.
Кузнєцов В.А., Кузьмичов В.А. Вентильно-індукторні двигуни .- М.: Изд-во МЕІ, 2003. 68С.
F. Henrotte, G. Deliege, and K. Hameyer, The eggshell method for the computation of еlectromagnetic forces on rigid bodies in 2D and 3D, CEFC 2002, Perugia, Italy, April 16-18, 2002.
S. McFee, JP Webb, and DA Lowther, A tunable volume integration formulation forforce calculation in finite-element based computational magnetostatics, IEEE Transactions on Magnetics, 24 (1) :439-442, January 1988.
Miller, TJE, Switched Reluctance Motors and their control-Oxford: Magna Physics Publishing and Clarendon Press, 1993, 205p.
Cardenas R., Ray WF, Asher GM, Switched reluctance generators for wind energy applications / / Power Electronics Specialists Conference, 1995. PESC '95 Record., 26th Annual IEEE, vol.1, pp.559-564.
David A. Torrey, Switched Reluctance Generators and Their Control / / IEEE Transactions on industrial electronics, vol.49, No.1, February 2002.
Erkan Mese, Yilmaz Sozer, James M. Kokernak, Dvid A. Torrey, Optimal Exitation of a High Speed Switched Reluctance Generator / / Applied Power Electronics Conf and Exhibition (APEC), IEEE 2000, vol.1, pp.362-368.