Przedmioty:
- Wprowadzenie
- Silnik elektryczny prądu przemiennego (synchroniczny, z magnesami trwałymi)
- Sterowanie AC silnika synchronicznego
- Silnik elektryczny prądu przemiennego (asynchroniczny, silnik klatkowy)
- Mapa sprawności synchronicznego i asynchronicznego silnika elektrycznego
Przedmowa:
Do napędzania pojazdu hybrydowego lub w pełni elektrycznego służy silnik elektryczny. Silnik elektryczny przekształca energię elektryczną (z akumulatora lub wzmacniacza zasięgu) w ruch napędzający koła. Ponadto silnik elektryczny może również podczas hamowania silnikiem przekształcać energię kinetyczną w energię elektryczną: hamowanie regeneracyjne. W takim przypadku silnik elektryczny działa jak dynamo. Ze względu na te dwie funkcje silnik elektryczny nazywamy również „maszyną elektryczną”.
Możliwości umieszczenia silnika elektrycznego w pojeździe hybrydowym to:
- W silniku spalinowym, gdzie przeniesienie napędu odbywa się za pomocą paska wielopasowego lub bezpośrednio za pośrednictwem wału korbowego;
- Pomiędzy silnikiem a skrzynią biegów: wał wejściowy skrzyni biegów napędzany jest silnikiem elektrycznym;
- Zintegrowany w skrzyni biegów;
- Na mechanizmie różnicowym;
- Na piastach kół (silnik piastowy).
Silnik elektryczny samochodu w pełni elektrycznego jest często montowany na tylnej osi. Poniższy rysunek przedstawia silnik elektryczny z falownikiem w cylindrycznej obudowie i przekładnię główną Tesli.
Silnik elektryczny prądu przemiennego (synchroniczny, z magnesami trwałymi):
Poniższy rysunek przedstawia części (synchronicznego) silnika elektrycznego Audi. Ten typ jest stosowany w hybrydowych wariantach A6 i A8. Pokrótce wymienimy komponenty. Elementy te opisano szczegółowo w poniższych akapitach.
Wirnik z magnesami trwałymi zacznie się obracać w wyniku zmiany pola magnetycznego w stojanie. Wirnik jest połączony ze sprzęgłem, które może łączyć lub rozłączać silnik spalinowy i silnik elektryczny (w połączeniu ze sprzęgłem (nie pokazano)) w różnych stanach pracy. Położenie wirnika jest określane przez rezolwer zmierzone: dane te są ważne dla sterowników IGBT, aby mogły sterować cewkami stojana we właściwym czasie.
Silnik elektryczny z magnesami trwałymi może być sterowany zarówno prądem stałym (napięcie stałe), jak i prądem przemiennym (napięcie przemienne).
Silnik synchroniczny to jeden z najczęściej stosowanych silników elektrycznych w pojazdach hybrydowych lub w pełni elektrycznych. Ten typ silnika elektrycznego składa się ze stojana z uzwojeniami i wirnika z kilkoma magnesami trwałymi. Wirnik obraca się z tą samą prędkością, co pole magnetyczne stojana. Silnik synchroniczny można sterować w następujący sposób:
- AC: sterowane sygnałem sinusoidalnym (prąd przemienny).
- DC: sterowane sygnałem kwadratowym lub trapezowym (prąd stały)
Stojan silnika synchronicznego składa się z trzech grup cewek stojana: U, V i W. Każda grupa zawiera trzy zestawy po sześć cewek połączonych równolegle, rozmieszczonych na całym obwodzie stojana. Co trzecia cewka należy do tej samej serii.
- Cewki U: niebieskie
- Cewki typu V: zielone
- W cewkach: czerwona
Wirnik zawiera kilka magnesów trwałych. Poprzez naprzemienne zasilanie cewek stojana powstaje wirujące pole magnetyczne. Wirnik podąża za polem wirującym i dlatego się obraca.
Sterowanie AC silnika synchronicznego:
Sterowanie AC wykorzystuje sterowanie sterowane częstotliwością lub komutację sinusoidalną. Cewki stojana są zasilane przemiennym trójfazowym napięciem sinusoidalnym w celu obracania wirnika.
Poniższy rysunek przedstawia położenie wirnika z maksymalnie wzbudzoną cewką U. W wyniku działania pola magnetycznego bieguny północne ustawiły się dokładnie naprzeciw zasilanych cewek w kształcie litery U. Kursor na wykresie obok silnika elektrycznego wskazuje stan sterowania cewkami w danym momencie.
Dla Twojej informacji: wirnik w objaśnieniu obraca się podczas sterowania cewkami stojana zgodnie ze wskazówkami zegara.
Na poniższym obrazku fala sinusoidalna, czyli prąd przemienny płynący przez cewkę U, jest maksymalnie ujemna. Podczas tej kontroli południowe bieguny wirnika znajdują się dokładnie naprzeciwko cewek stojana pod napięciem (U).
W rzeczywistości istnieje niewielka szczelina powietrzna pomiędzy północnym i południowym biegunem wirnika. Podczas zmiany bieguna południowego na północny zmienia się kierunek prądu w cewce U. Dalej:
- Prąd płynący przez cewkę V (zieloną) jest prawie maksymalnie dodatni; biegun północny jest również prawie naprzeciwko cewki.
- Prąd płynący przez cewkę W jest maksymalnie ujemny i rośnie. Biegun południowy obrócił się obok cewki.
Aby zobrazować przepływ prądu, poniższa animacja przedstawia obrót wirnika pod wpływem prądu przemiennego.
Silnik elektryczny prądu przemiennego (asynchroniczny, silnik klatkowy):
Silnik elektryczny klatkowy lub silnik elektryczny ze zwarciem jest silnikiem asynchronicznym. Różnica między silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi a silnikiem asynchronicznym polega na wirniku: jest to bęben z miękkiego żelaza z przewodnikami w kierunku wzdłużnym. Wirnik pracuje asynchronicznie ze stojanem, co oznacza, że istnieje różnica prędkości pomiędzy wirnikiem a prędkością magnetyczną stojana. Stojan jest dokładnie taki sam.
Wirnik asynchronicznego silnika elektrycznego składa się ze zwartych cewek; cewki U, V i W są połączone ze sobą po jednej stronie. Gdy wirnik znajduje się w polu wirującym stojana, w cewkach wirnika wytwarza się napięcie indukcyjne. Ponieważ cewki wirnika są ze sobą zwarte, przepływa przez nie prąd. Prąd ten powoduje, że wirnik generuje pole magnetyczne, tworząc moment obrotowy. Ponieważ działanie asynchronicznego silnika elektrycznego opiera się na prawie indukcji, nazywamy go również silnikiem indukcyjnym.
Dostarczony moment obrotowy wpływa na poślizg pomiędzy wirującym polem magnetycznym w stojanie a prędkością wirnika.
Silnik asynchroniczny ma wiele zalet i wad w porównaniu do silnika synchronicznego.
Zalety:
- stosunkowo prosty, solidny i niedrogi wirnik;
- wysoki moment obrotowy przy niskiej prędkości.
Wady:
- niższa gęstość mocy (na masę) i wydajność (efektywność). Prądy w zwartych cewkach wirnika powodują dodatkowe straty w wirniku;
- prędkości nie można dokładnie kontrolować, ponieważ zależy ona od obciążenia. Samo w sobie nie musi to być wadą: przy dobrym systemie sterowania można również regulować prędkość silnika asynchronicznego;
- wysoki prąd rozruchowy.
Położenie wirnika i prędkość silnika asynchronicznego mierzy się za pomocą a czujnik położenia wirnika. Czujniki Halla często dostarczają co najmniej cztery impulsy na obrót wirnika, aby przekazać położenie i prędkość wirnika. Tego typu czujnika położenia wirnika nie nazywamy rezolwerem, jak ma to miejsce w przypadku silnika synchronicznego.
W przeciwieństwie do silnika synchronicznego, czujnik położenia wirnika nie musi znać położenia wirnika podczas postoju. Położenie wirnika jest ważne podczas obrotu: należy zachować ostrożność, aby poślizg pomiędzy wirującym polem magnetycznym a wirnikiem nie stał się zbyt duży. Gdy pole wirujące porusza się zbyt szybko, może dojść do sytuacji, w której wirnik nagle będzie chciał skręcić w drugą stronę. Powstające siły mogą być katastrofalne dla elementów mechanicznych i elektrycznych.
Niektórzy producenci decydują się również na zastosowanie silnika asynchronicznego rezolwer zastosowanie. Powód jest mi nieznany. W każdym razie resolwer jest niezwykle dokładny zarówno podczas postoju, jak i podczas pracy, co może korzystnie wpłynąć na precyzyjną kontrolę.
Mapa sprawności synchronicznego i asynchronicznego silnika elektrycznego:
Poniższe zdjęcia przedstawiają sprawność synchronicznego silnika elektrycznego (po lewej) i asynchronicznego silnika elektrycznego (po prawej).
- Synchroniczny silnik elektryczny jest bardzo wydajny. Sprawność na dużym obszarze przekracza 90%, a wartości szczytowe sięgają nawet 96%. Od 2000 obr./min następuje osłabienie pola, co powoduje spadek maksymalnego momentu obrotowego.
- Silnik asynchroniczny ma znacznie niższą sprawność niż silnik synchroniczny przy niższych prędkościach.
Powiązane strony:
