Двигатель-генератор с поперечным магнитным потоком для подвижных объектов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Функциональные задачи выполняемые ЭМС

2. Функциональная схема рассматриваемой ЭМС

3. Принцип действия системы. Характеристики системы

4. Основные технические данные рассматриваемой системы

5. Назначение, принцип действия и характеристики элементов, входящих в состав ЭМС

5.1 Тяговый двигатель и двигатель-генератор

5.2 Двигатель внутреннего сгорания

5.3 Высоковольтная аккумуляторная батарея

5.4 Инвертор

5.5 Система управления

5.6 Устройство распределения мощности

6. Аналоги рассматриваемой ЭМС

7. Достоинства и недостатки рассматриваемой ЭМС по сравнению с выбранными аналогами

Вывод

Список использованных источников

Введение

Понижение содержание диоксида углерода (СО₂) в выхлопе для замедления процесса глобального потепления стало международной проблемой в последние годы. С точки зрения автомобилестроения самыми важными факторами в понижении содержания СО₂ в выхлопе является уменьшение расхода топлива и достижении более чистого выхлопа. Этому снижению способствует использование гибридных систем в автомобилях.

Автомобильные трансмиссии, которые используют комбинацию двух источников, называют гибридными системами. В гибридной системе каждый источник энергии предназначен максимизировать ее преимущества компенсируя недостатки друг друга.

Ключевую роль, в ЭМС гибридного авто, играет гибридный привод целями которого являются достижения двойной и более экономии топлива, чем у транспортных средств, приведенных в движение обычными двигателями внутреннего сгорания, значительное уменьшение выбросов отработавших газов, и гарантия плавных, мощных технических характеристик.

В данной работе будет рассмотрена ЭМС гибридного автомобиля, с использованием, в качестве двигателя-генератора, так называемую Transverse Flux Machine (TFM) - машина с поперечным магнитным потоком.

1. Функциональные задачи выполняемые ЭМС

Функциональные задачи, выполняемые ЭМС - приведение в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением таким образом, что бы максимально эффективно выполнялись цели гибридного привода, являясь при этом одним из приводов на ряду с ДВС.

Существуют три вида гибридных систем, последовательно-параллельная сочетает в себе технические достоинства двух других видов, может работать как последовательно так и параллельно и, как следствие, имеет более широкие функциональные возможности. О ней и будет изложено ниже.

2. Функциональная схема рассматриваемой ЭМС

Д-Г И АБ И

ДВС УРМ ЭД

К

Рис.2 - функциональная схема ЭМС гибридного автомобиля

ДВС- двигатель внутреннего сгорания

Д-Г - двигатель-генератор

И - инвертор

АБ - аккумуляторная батарея

ЭД - тяговый двигатель

УРМ - устройство распределения мощности (Делитель мощности)

К - колеса (исполняемый орган в данной системе)

3. Принцип действия системы. Характеристики системы

Данный вариант ЭМС основан на использовании машин с поперечным магнитным потоком, или как было написано выше - TFM, которые играют роль генератора и тягового двигателя.

У данной системы 6 рабочих режимов:

1) Запуск/легкая загрузка.

2) Когда происходит запуск, движение на маленьких скоростях, спуск по небольшому наклону, или работа в других условиях в которых двигатель работает не на пике активности, он выключается и тяговый двигатель приводит в движение автомобиль. Поток энергии идет от батареи преобразовываясь в переменное, через И-В 2, питает тяговый двигатель, который, в свою очередь, преобразует электрическую энергию в механическую, общий вращая вал и соответственно, через УРМ , вал колес.

3) Номинальное движение.

4) УРМ распределяет мощность двигателя на два пути. Одна часть приводит в движение колеса, другая приводит в движение генератор, вырабатывающий электричество для тягового двигателя, который обеспечивает дополнительную движущую силу колесам.

Система контролирует отношение мощности по каждому пути для максимальной эффективности. Иными словами ДВС вращает общий вал, УРМ распределят мощность - часть, посредством генератора, преобразовывается в электрическую переменную, и ,проходя через выпрямитель И 1, заряжает батарею, которая в свою очередь питает тяговый двигатель. Момент, создаваемый тяговым двигателем и ДВС, суммируются, с помощью того же УРМ, и передаются на колеса.

5) Максимальное ускорение.

6) Мощность двигателя, в этом режиме работы, не делится. Движущий момент на колесах, благодаря УРМ, равен сумме моментов двигателя ДВС и тягового двигателя, за счет чего машина набирает максимальное ускорение.

Рис.4.1 - Увеличение крутящего момента при совместной работе ДВС и электродвигателя

1 - кривая суммарного момент,

2 - кривая момента ДВС.

M_? - суммарная величина момента ДВС (М_ДВС) и момента электродвигателя (M_Э)

7) Замедление/торможение.

8) Во время замедления и торможения, инерция колес поворачивает тяговый двигатель, который тогда работает как генератор и через И 2 подзаряжает батарею.

9) Перезарядка батареи.

10) Система управления «следит» за тем, что бы батарея поддерживала постоянный заряд. Когда батарея разряжается, направляется мощность через УРМ и генератор для ее зарядки.

11) Остановка.

12) Двигатель автоматически отключается, когда автомобиль остановился.

Принцип регулирования:

При движении энергии от ДВС или от колес (при торможении/замедлении автомобиля) к батарее, т.е. при преобразовании механической энергии в электрическую, И 1 и И 2 работают как выпрямители. Регулирование напряжения, заряжающего батарею, осуществляется полевым транзистором. Система управления, получая сигнал от датчика (напряжения) , контролирует ширину пропускания транзистора.

При обратном движении энергии И 1 и/или И 2 работают в качестве инверторов. СУ, в данном случаем, подает управляющие импульсы на транзисторы, отпирая и запирая их в определенной последовательности с определенной частотой. Таким образом, постоянный ток преобразуется в переменный. Так же, СУ регулирует скважность транзисторов инвертора, т.е. амплитуду выходного напряжения (напряжения подаваемого на тяговый двигатель).

4. Основные технические данные рассматриваемой системы

5. Назначение, принцип действия и характеристики элементов, входящих в состав ЭМС

5.1 Тяговый двигатель и двигатель-генератор

В качестве тягового двигателя и двигатель-генератора, в рассматриваемой ЭМС, выступают TFM, т.е. машина с поперечным магнитным потоком.

TFM является основным элементом ЭМС.

Данные тягового-двигателя:

Данные двигатель-генератора:

Мощность P=15 кВт

В отличии от стандартных двигателей, в которых вектор силы параллелен магнитному потоку, в TFM электромагнитный вектор силы перпендикулярен линии магнитного потока.

Статор состоит из тороидальной однофазной обмотки, охваченной П-образным сердечником. Магнитный поток в П-образном сердечнике перпендикулярен к проводникам статора и направлению вращения. В состав ротора входят поверхностные постоянные магниты и шихтованный магнитопровод. Если количество полюсов ротора 2p, количество П-образных сердечников статора равно p, т.е. количество П-образных полюсов статора равно количеству полюсов ротора p.

TFM, за счет своей конструкции и принципу действия, при той же мощности имеет много меньший вес и габаритные размеры по сравнению с машинами постоянного тока, а так же синхронными и асинхронными машинами.

5.2 Двигатель внутреннего сгорания

5.3 Высоковольтная аккумуляторная батарея

Данные АБ

Блок высоковольтной аккумуляторной батареи автомобиля состоит из последовательно соединённых 200 гальванических элементов. Поскольку напряжение каждого элемента равно 1,2 вольта, общее напряжение аккумуляторной батареи равно 240 вольта. Гальванические элементы собраны в модули, каждый из которых содержит по 5 элементов, вся высоковольтная батарея, установленная за задним пассажирским сиденьем, состоит из 40 модулей.

Емкость батареи равна 55 ампер-часов, но для увеличения срока службы дорогостоящей аккумуляторной батареи управляющая электроника ограничивает использование этой ёмкости только на уровне 40%. Уровень зарядки аккумуляторной батареи изменяется только в диапазоне от 40% до 80% от установлено полного уровня зарядки. Умножив напряжение аккумуляторной батареи на ёмкость, получаем, что аккумуляторная батарея способна сохранить 47,52 MJ (мегаджоулей) (13,2 кВт*час), но свободно использовать из этого количества энергии допускается только 19 MJ (5,28 кВт*час). Этого количества энергии вполне достаточно для разгона автомобиля с водителем и пассажирами до скорости 130 км/час четыре раза, без использования мощности двигателя внутреннего сгорания.

5.4 Инвертор

Рис.5.4 - схема двухфазного транзисторного инвертора

Рис.5.4 - Развертка процессов в двухфазной мостовой схеме инвертора напряжения

При включении транзисторов VT1, VT2 точка схемы подключается к положительному зажиму источника питания, а точка к отрицательному. При этом в нагрузке нарастает ток i1 в направлении, от VT1 к VT2, причем эдс самоиндукции в этом случае препятствует увеличению тока в контуре. В момент транзисторы VT1, VT2 выключаются и контур тока нагрузки размыкается. Однако, благодаря энергии запасенной в индуктивности нагрузки, ток нагрузки поддерживается за счет эдс самоиндукции, при этом знак этой эдс меняется на обратную, что приводит к включению диодов VD3, VD4. При включении диода VD3 точка схемы подключается к положительному зажиму источника питания, а точка - к отрицательному. Таким образом, полярность напряжения на нагрузке меняется на обратную, независимо от того, включены ли транзисторы VT3, VT4 или нет. На этом интервале ток нагрузки протекает от индуктивности нагрузки через диод VD3, через источник АБ в обратном направлении и через диод VD4 в нагрузку. При этом обеспечивается сброс энергии, запасенной в индуктивности нагрузки, обратно в источник питания. Поэтому диоды, включенные в схеме инвертора параллельно силовым транзисторам, называются обратными диодами. Для нормальной работы схемы необходимо, чтобы к моменту спада тока нагрузки до нуля, транзисторы VT3, VT4 были включены, что обеспечивает повторение всех процессов с другой полярностью тока. Для второй фазы алгоритм работы транзисторных ключей аналогичен.

На рис. 5.4 (б) обозначены интервалы проводимости силовых полупроводниковых приборов.

Как видно из кривых, показанных на этом рисунке, при активно-реактивном характере нагрузки, момент перехода тока нагрузки через нуль смещен назад, длительность протекания тока через обратные диоды увеличена, а через транзисторы - уменьшена.

На рис. 5.4 (а) представлена кривая входного тока инвертора, которая показывает, что в течение первой полуволны выходного напряжения кривая входного тока совпадает с кривой тока нагрузки, в момент изменения полярности выходного напряжения кривая входного тока претерпевает разрыв и в течение второй полуволны выходного напряжения кривая входного тока повторяет кривую тока нагрузки, но с обратной полярностью. Среднее значение входного тока определяет активную мощность, отбираемую от источника питания.

На рис. 5.4 (б,в,г) показаны кривые напряжения между коллектором и эмиттером транзисторов, тока транзисторов и тока обратных диодов VD.

На рис. 5.4 (д,е) изображены диаграммы токов и напряжений на выходе инвертора.

5.5 Система управления

1. TFM Canada, резюме, технические данные, сравнение. 181 с.

2. Я знаю автомобиль. Параллельные гибридные автомобили. [Электронный ресурс] (Дата обращения 20.12.2014.г.)

3. URL: http://autology.jimdo.com/3-2-параллельные-гибридные-автомобили/

4. Toyota Prius, гибридное авто. [Электронный ресурс] (Дата обращения 20.12.2014.г.)

5. URL: http://www.toyota.ru/new-cars/prius/index.json

6. Википедия: свободная электронная энциклопедия: на русском языке [Электронный ресурс] планетарный редуктор. (Дата обращения 21.12.2014.г.)

7. URL: ru.wikipedia.org/wiki/Планетарный редуктор

8. Планетарный редуктор. [Электронный ресурс] (Дата обращения 21.12.2014.г.)

9. URL: http://myfta.ru/articles/reduktor-mosta

10. Инвертор напряжения. [Электронный ресурс] (Дата обращения 22.12.2014.г.)

11. URL: http://literaturki.net/elektronika/avtonomnye-preobrazovateli/312--odnofaznye-invertory-napryajeniya

12. Генератор управляемый напряжением. [Электронный ресурс]

(Дата обращения 22.12.2014.г.)

URL: http://the-mostly.ru/misc/generator_upravlyaemyi_napryazheniem.html

Размещено на Allbest.ru