148491 (Автомобілі з гібридною трансміссією і комбінованою енергетичною установкою), страница 8

Рисунок 3.23 – Залежність втрат потужності від температури оливи при випробуваннях конфігурації В

3.3 Випробування системи гібридного приводу за ефективністю основних елементів

Випробування системи гібридного приводу вимагає вирішення деяких питань:

• визначення обладнання для дослідження інвертора і електродвигуна;

• планування і підготовка алгоритму регулятора, щоб максимізувати крутний момент і забезпечувати його зміну;

• вирішення проблеми зворотного зв’язку для управління електродвигуном;

• обладнання дає при дослідженнях результат з частковою похибкою;

• використання моделі електродвигуна для випробування/підтвердження алгоритму регулятора;

• підготовка системи збору даних;

• калібрування всього обладнання і перевірка всіх давачів.

Метою повного дослідження автомобіля з гібридною системою приводу є опис робочих характеристик електродвигуна, інвертора, підвищувального конвертера. Це не обов’язково відобразить принцип дії цих елементів в транспортному засобі з гібридною системою приводу, оскільки їх режим роботи задаються електронним контрольним приладом, а скоріше дасть поняття про властивості такого автомобіля по максимізації крутного моменту чи ефективності при повному діапазоні швидкостей. Таким чином, ці дослідження дають «закриту» інформацію про автомобіль з гібридним приводом, і дані, які повністю визначають потенціал робочих характеристик, без опису процесу їх керування.

3.3.1 Опис лабораторного обладнання

Схема лабораторного обладнання для дослідження робочих характеристик Пріус зображена на рисунку 3.25. На рисунку зображено комп’ютерні системи для керування системою КЕУ, для вимірювання теплових і електричних параметрів в реальному часі, для отримання і зберігання даних. З рисунку видно, що система автоматичних аналізаторів Yokogawa PZ 4000 і збору даних Keithley 2700 збирають всі електричні, теплові і механічні параметри. Система охолодження із зворотнім зв’язком використовується, щоб регулювати температуру і розхід охолоджуючої рідини, яка відправляється інвертору і постійному магніту синхронного двигуна.

Електродвигун для цих випробувань був змінений так, щоб ротор безпосередньо з’єднувався з валом динамометра, що дозволило валу динамометра обертатися разом із ротором електродвигуна. Це виключає проблеми, пов’язані з втратами потужності в зачепленнях шестерень. На рисунку 3.24 показано фотографію лабораторної установки і елементів, які тестуються на кінцевому етапі випробувань. В кінці випробувань двигун Solectria замінили синхронним двигуном фірми UQM, щоб забезпечити додаткове навантаження на великих швидкостях.

Рисунок 3.24 – Фотографія лабораторної установки для дослідження робочих характеристик

Рисунок 3.25 – Схема лабораторної установки для дослідження робочих характеристик автомобіля з гібридною системою приводу

3.3.2 Загальний план випробувань і перевірки результатів

Цей розділ визначає: обладнання для дослідження робочих характеристик електродвигуна і інвертора; дані для вибору обладнання; дослідження даних ефективності інвертора.

Загальний план випробувань

Вимірювальні дані були отримані від великої кількості давачів і автоматичного аналізатора. Вловлювач крутного моменту фірми Himmelstein встановлений між електродвигуном і динамометром. Він забезпечує навантаження вала електродвигуна. Також встановлено зовнішнє обладнання для вимірювання і регулювання температури охолоджуючої рідини. Результати досліджень електродвигуна отримані, використовуючи систему автоматичних аналізаторів Yokogawa PZ 4000. Давачі, розташовані в інверторі, магнітному статорі синхронного електродвигуна(МССД) , кріпленнях динамометра, забезпечують отримання електричних і теплових величин. При зборі експериментальних даних накладалися певні обмеження, пов’язані з діапазоном зміни швидкості обертання ротора електродвигуна і максимальним навантаженням на нього. Ці обмеження зображені на рисунку 3.17. Випробування обмежувалися максимальною частотою електродвигуна (6000 об/хв.), і, з даних виробника, – довготривалою потужністю (30 кВт) і максимальною потужністю(50 кВт) при 1200-5000 об/хв. для часу 20с. Експериментальні дані не обов’язково можуть співпадати з наведеними. Максимальний крутний момент становить 400 Н·м при 1-1200 об/хв., причому це значення обмежується часом.

Рисунок 3.26 – Залежність максимального значення крутного моменту від частоти обертів електродвигуна

Інші важливі дані приведені в таблиці 3.14.

Таблиця 3.14 – Значення температур елементів системи

* Як показують дані випробувань, при помірному міському їздовому циклі температура в системі охолодження не перевищувала 50 ⁰С і 60 ⁰С в більшості необхідних їздових циклів. Тому прийнята температура 55 ⁰С.

В транспортному засобі Пріус встановлений тепловий захист статора при температурі 174 ⁰С, що показує клас Н захисту охолодження електродвигуна. Клас Н дозволяє нагрівання до 180 ⁰С при середньому часі роботи електродвигуна 20000 год. Дані показують, що при нагріванні електродвигуна до температури 200 ⁰С його час роботи скорочується до 5000 год.

В системі гібридного приводу використовуються двигуни не стабільні в роботі. Електродвигун Пріус повинен розвивати крутні моменти в границях 300-400 Н·м тільки на кілька секунд в процесі високого пришвидшення. Тому двигун не призначений ні для чого більше. Проте для дослідження і побудови карт робочих характеристик необхідно працювати в високому діапазоні крутного моменту при тривалому часі. Тому, при випробуваннях, для захисту статора від перегріву, встановлюється швидша циркуляція охолоджуючої рідини, а в деяких випадках і дуже висока. При випробуванні робочих характеристик інвертора і електродвигуна температура рідини становила 55 ⁰С при витраті 7 л/хв. При випробуваннях високого крутного моменту температура рідини знижувалась, а її витрата зростала до 10 л/хв. Вентилятор направлений на кожух електродвигуна для реальної імітації руху транспортного засобу Керування струмом інвертора проводилось на основі алгоритмів регулятора. Випробування проводилось при змінах швидкості і навантаження електродвигуна в кілька етапів. При малих швидкостях обертання ротора, вимірювання проводили через кожні 100-200 об/хв., при високих швидкостях, коли ефективність змінюється більш поступово, вимірювання проводили що 400-500 об/хв. При кожній швидкості крутний момент збільшували в декілька етапів. Дані реєструвалися кожні 10 Н·м для навантаження аж до 120%, причому температурні границі не порушувались. В кожній точці швидкості і крутного моменту вимірювався постійний струм для того щоб знайти мінімальний необхідний рівень, якому відповідає найвища ефективність електродвигуна. Кожна точка вимірювання не утримувалась довше 30 с, якщо температурні границі могли бути порушені. При вимірюванні 10 чи більше точок, використовувались середні значення для виключення ефекту розсіювання. Струм інвертора і форми хвилі напруги були зареєстровані при роботі електродвигуна на частотах 1200 і 2500 об/хв. з максимальним номінальним крутним навантаженням.

Здійснення вибірки результатів

Незалежно від швидкості і електричної частоти, використовувався діапазон, що містить щонайменше п’ять фундаментальних циклів для кожної випробувальної швидкості. Це забезпечує те, що інформація не пропущена і потужність виміряна послідовно. Щоб забезпечити додаткову послідовність, автоматичний аналізатор під’єднувався до однієї із фаз змінного струму. Так як частота замірів змінюється з тривалістю вимірювань і швидкістю випробувань, то визначена тривалість вимірювань не використовувалася в процесі всіх випробувань, але може бути приближена для отримання вимірювань з частотою 2,5 зразка за секунду. Програма отримання і накопичення даних записувала дані із множини давачів кожні 4-5 с. Для кожної швидкості і крутного моменту було отримано щонайменше 5 результатів, кожен з яких записувався в рядки великоформатної таблиці. Тому, після проведення експерименту отримані дані співставлялися і перевірялися; результати, що відповідали вірним, зареєстровувалися. Крім цього, дані для кожної операції були усереднені і карта ефективності, зображена нижче, побудована використовуючи середні значення.

Дослідження високої ефективності інвертора

На протязі випробувань інвертора, при визначених швидкостях і навантаженнях, отримані дані, що засвідчують високу ефективність інвертора в межах 99%, що виявилось неочікуваним. Оскільки використовувались тільки відрегульовані інструменти і давачі, то похибка (якщо така існує) могла бути викликана тільки шумами електромагнітних хвиль, що спостерігаються в сигналах вихідного струму інвертора. Визначено декілька рішень і спеціальних випробувань для перевірки результатів.

Для підвищення ефективності досліджень визначено зробити наступні зміни:

• отримати додаткові результати, використовуючи шунтування внутрішнього струму, щоб порівняти їх з даними результатами;

• розташувати автоматичний аналізатор і трансформатор ближче до електродвигуна і інвертора, використовуючи коротші провідники;

• використовувати трансформатор, влаштований в інвертор;

• шукати причину появи високого магнітного поля;

• дослідити той факт, що при видаленні сигналу напруги 500В, що йде на один із входів аналізатора потужності Yokogawa, шум електромагнітного поля знижується.

Найкращий результат вищевказаного дослідження було отримано при проведені випробувань для перевірки раніше отриманих результатів.

Спеціальні випробування включали наступне:

• використовувалося шунтування – випробування проводилися при низькому струмі і використовуючи внутрішнє шунтування приладу Yokogawa, що є, напевне, найточнішим налаштуванням для вимірювань. Три фази інвертора-двигуна були розділені через автоматичний аналізатор для випробування. Результати відповідали більш раннім випробуванням при використанні трансформатора струму на трьохфазних лініях;

• використання фільтрування – дані отримані з і без використання фільтрів не мали істотних розбіжностей при вимірюванні потужності і ефективності;

• використання псевдо нейтралі – отримані дані, при використанні зовнішньої псевдо нейтралі на трифазній лінії, істотно не відрізнялися від даних, отриманих раніше при вимірюванні потужності і ефективності;

• ізоляція лінії – вхід/вихід інвертора було ввімкнено/розімкнено з аналізатором у всіх комбінаціях, щоб перевірити ізоляцію ліній. Таким чином, електричні дані подавались з входу/виходу інвертора прямо на аналізатор. І знову ніяких суттєвих розбіжностей в результатах вимірювання потужності і ефективності не спостерігалося.

Вищевказані випробування підвищили рівень оцінки і показали, що дійсно при різних навантаженнях інвертор показав високу ефективність роботи. Корисна дія інвертора, як очікується, буде високою і в експлуатаційних режимах, починаючи із вибору ширини імпульсу сигналу керування і до створення максимальної напруги, що подається на електродвигун.

3.3.3 Випробування системи електродвигун-інвертор і карти їх ефективності

Цей розділ забезпечує даними для побудови карт ефективності робочих характеристик основних складових системи комбінованого приводу, включаючи створення карт ефективності. Найкращі результати були отримані при високих навантаженнях, оскільки були частими високі теплові зміни в статорі. Проблем з перегрівом не було, оскільки в інвертор інтегровано автоматичний електронний модуль. Для повного навантаження при частоті нижче 1300 об/хв. використовувався допоміжний синхронний двигун, що додавав навантаження до динамометра. Контурна карта ефективності використання електродвигуна в межах 300-6000 об/хв. зображена на рисунку 3.27. Як видно з рисунку максимальна ефективність сягає 93-94% при 1750-3000 об/хв. для помірних значень крутного моменту(50-150 Н·м). Найнижчі ККД спостерігаються в кількох областях краю контуру, особливо при малих швидкостях і високих значення крутного моменту. Так як одним із першочергових застосувань електродвигуна було пришвидшувати транспортний засіб, то такий ефект при низьких швидкостях має велике значення.

Рисунок 3.27 – Контурна карта ефективності електродвигуна