Разработка интегрированного стартер-генератора на основе вентильно-индукторной машины (стр. 2 из 3)

Стартер-генератор - это электрическая машина, предназначенная для кратковременной работы в двигательном режиме и продолжительной работы в режиме генератора. Стартер-генератор автомобиля, помимо этого, должен обеспечивать кратковременный бустерный режим, при котором на валу ДВС создается дополнительный двигательный момент.

Стартер-генератор на базе ВИМ - вентильно-индукторный стартер-генератор (ВИСГ) - имеет ряд особенностей по сравнению с ВИМ общего назначения, связанных как с конструкцией, так и с режимами работы.

ВИСГ имеет большой диаметр вала ротора, что вызвано интеграцией его с диском сцепления автомобиля. Сцепление размещается внутри ротора ВИСГ, который также выступает маховиком ДВС. Длина активной части, как правило, небольшая и обусловлена размещением ВИСГ в автомобиле.

Диапазон скоростей вращения ВИСГ, как в стартерном, так и в генераторном режиме, должен быть широким и полностью покрывать диапазон рабочих скоростей вращения ДВС. Особенность ВИСГ заключается в том, что существует диапазон скоростей вращения, при которых ВИМ должна работать и как стартер, и как генератор, что исключается при проектировании ВИМ на один из режимов (рис.7а). Таким образом, диапазоны рабочих скоростей стартера и генератора должны взаимно перекрываться (рис.7б).

Рис.7 Диапазоны рабочих скоростей ВИМ и ВИСГ

ВИСГ автомобиля должен обладать высоким пусковым моментом, что в сумме с низким напряжением питания, обусловленным низким напряжением бортовой сети, и широким рабочим диапазоном частот вращения, затрудняет его проектирование.

Математическое моделирование процессов в ВИСГ

Процессы, происходящие в ВИСГ, ввиду своей сложности и нелинейности, не могут быть рассмотрены на основе аналитических выражений и зависимостей. Этим также объясняется сложность проектирования данного класса машин. Структура статора и ротора должны быть принципиально зубчатыми, иначе становиться невозможным преобразование энергии на основе реактивного момента. Магнитное поле ВИМ носит более сложный характер, чем в традиционных машинах [3].

Рассмотреть процессы электромеханического преобразования энергии в ВИМ можно путем математического моделирования электромеханической системы, включающей в себя ИМ, и блок управления.

При этом принимаются следующие допущения:

взаимная индуктивность фаз равна нулю, так как коммутация фаз ВИСГ симметричная одиночная;

потери в стали и механические потери ВИМ не учитываются;

ключи блока коммутации считаются идеальными, т.е. осуществляют коммутацию без временных задержек и падения напряжения на них;

демпфирующая емкость принимается бесконечно большой;

нагрузка в генераторном режиме считается активной.

В основу математической модели положены нелинейные дифференциальные уравнения электрической цепи содержащей переменные индуктивности обмоток и уравнения движения.

Уравнения для стартерного режима

Уравнение электрической цепи для одной фазы

, где

- потокосцепление фазы ИМ;

- сопротивление фазы ИМ;

- нелинейная зависимость тока фазы от потокосцепления и взаимного положения зубцов статора и ротора.

- зависимость напряжения на фазе ИМ от времени, формируемая по алгоритму коммутации фаз.

Зависимость

определяется из расчета магнитного поля ВИМ, с учетом нелинейностей магнитных проводимостей стали, путем сплайн-аппроксимации точек поверхности . На основе данной зависимости строится зависимость , позволяющая однозначно определить ток фазы ВИМ по потокосцеплению катушки и относительному положению зубцов

Уравнение движения:

Уравнения для генераторного режима

Уравнение электрической цепи для одной фазы

Математическая модель строится на совместном интегрировании уравнений напряжения электрической цепи для всех фаз и уравнения движения:

,

где

T - время интегрирования;

N -число точек интегрирования.

При наличии характеристик

, для рассматриваемой конфигурации ВИМ, математическая модель позволяет достаточно быстро моделировать требуемые процессы в ВИМ как в двигательном, так и в генераторном режимах. В данной модели также возможен учет потерь в стали путем введения в электрическую цепь дополнительного сопротивления, эквивалентного потерям в стали. Наряду с учетом многих эффектов, имеющих нетривиальное описание, модель требует расчета характеристики , определяемой из расчета магнитного поля с помощью современной вычислительной техники и развитых программных средств типа Flux 2D/3D, Opera, Femme и т.д.

Результаты математического моделирования

Стартерный режим

Моделирование стартерного режима производилось пуском ВИСГ на холостом ходу с применением DC/DC преобразователя, обеспечивающего задание напряжения в зависимости от скорости (рис. 8). Повышение напряжение питания ВИСГ (напряжение бортовой сети автомобиля 36В) применяется для расширения диапазона рабочих скоростей вращения в стартерном режиме с целью обеспечения бустерного режима. Получение данного диапазона рабочих скоростей возможно также с помощью уменьшения числа витков обмотки на этапе проектирования, но одновременно с этим произойдет уменьшение пускового момента, вследствие чего ВИСГ не будет соответствовать техническим требованиям.

В пусковом режиме ток ВИСГ ограничен только активным сопротивлением, что может привести к выходу из строя аккумуляторной батареи, от которой осуществляется питание ВИСГ, и силовой электроники. Для предотвращения аварийных ситуаций ток, потребляемый ВИСГ, ограничивается (рис.9) путем коммутации напряжения питания в соответствии с показаниями датчиков тока. В иностранной литературе [2] данный режим называется - Current Control Chopping. Таким образом, электронные ключи должны выбираться из расчета, что рабочая частота коммутации может в сотни раз превосходить частоту коммутации фаз на данной скорости. Для ВИМ конфигурации 18/12 на скорости 500 об/мин частота коммутации фазы без токоограничения составляет 100Гц, а с учетом токоограничения, в зависимости от точности регулировки, от 2 до 20 кГц.

Момент, развиваемый ВИСГ при пуске, также ограничивается (рис. 10). Это вызывает необходимость в увеличении числа витков обмотки, для создания требуемого момента при заданном ограничении тока, и повышении напряжения питания на высоких скоростях вращения.

На рис.9 представлена механическая характеристика, полученная при математическом моделировании стартерного режима ВИСГ (Мср), а также требуемая механическая характеристика (Мт.з). Как видно из зависимости мгновенного значения момента (Ммгн рис. 10), ВИСГ обладает значительными пульсациями момента, что является недостатком всех ВИМ с одинарной симметричной коммутацией. Вследствие большого момента инерции ДВС, данный фактор не оказывает отрицательного влияния на работу стартера.

Рис. 8 Зависимость регулирования напряжения питания от скорости.

Рис. 9 Зависимость мгновенного (Iмгн) и среднего(Iср) значения потребляемого тока фазы от скорости

Рис.10 Зависимость мгновенного (Ммнг), среднего (Мср) и заданного (Мт.з) момента двигателя от скорости

Генераторный режим

На низких скоростях вращения ротора, в генераторном режиме, ЭДС генератора оказывается ниже требуемого значения. При этом не происходит увеличение значения тока после прекращения возбуждения, как на рис.6. Для обеспечения работы генератора в подобных режимах, режим возбуждения многократно чередуется с режимом генерации в течение всего времени работы фазы (рис.11). Данный режим коммутации схож с режимом ограничения тока в стартерном режиме. Отличие состоит в том, что ток фазы не ограничивается, а поддерживается на определенном уровне. Среднее значение ЭДС при этом оказывается в требуемых пределах, что позволяет использовать ВИСГ на низких скоростях, и отличает его от индукторного генератора без вентильного управления, неспособного работать в данных скоростных режимах.

На средних скоростях вращения ЭДС генератора вызывает нарастание тока фазы после прекращения возбуждения (точке окончания возбуждения соответствует точка с током 100А рис.12). На рис. 12 представлена энергетическая диаграмма для скорости вращения 5000 об/мин и, для сравнения, для скорости 1000 об/мин. Возбуждение при этом производится до значений тока, значительно меньшего, чем при низких скоростях. Стрелками показано направление изменения потокосцепления в течение цикла коммутации фазы. Энергетическая диаграмма позволяет также определить среднее значение момента, который пропорционален площади, охватываемой годографом ,I.