Привод электротранспорта

Полезная модель может быть использована при производстве электротранспорта, в частности, электромобилей и автомобилей с гибридным двигателем. Привод электротранспорта с рекуперацией энергии торможения состоит из источника электрической энергии (аккумуляторной батареи 1), управляемого частотного преобразователя-рекуператора, состоящего из инвертора 2 на IGBT-транзисторах, микроконтроллерной системы управления приводом 3 и датчиков 4 тако и напряжения, и электрической машины 5 переменного тока в виде шестифазного короткозамкнутого асинхронного двигателя без перекрытия фазовых обмоток. При торможении транспортного средства асинхронный двигатель 5 переходит в генераторный режим и вырабатываемая им электроэнергия поступает на выход инвертора 2. Система управления приводом 3 в соответствии с показаниями датчиков 4 тока и напряжения переключает инвертор 2 в реверсный режим и трехфазная электроэнергия, поступающая от асинхронного двигателя 5, выпрямляется, суммируется и подается на вход аккумуляторной батареи 1, где сохраняется путем увеличения заряда последней. Энергосбережение обеспечивается за счет рекуперации энергии торможения непосредственно в аккумуляторные батареи.

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к электроприводам и может быть использована при производстве транспортных средств таких, как электромобили и автомобили с гибридными двигателями.

Из уровня техники известны трехфазные асинхронные двигатели, в которых осуществлено подавление высших гармоник в основном за счет применения статорной обмотки, выполненной составной в виде композиции из двух частей - двух независимых трехфазных обмоток, соединенных, соответственно, в треугольник и звезду, каждая из которых подключена к питающей сети, при этом начала одноименных фаз обеих обмоток смещены в пространстве относительно друг друга на 30 электрических градусов и вектор магнитной индукции каждой из фаз пересекает ось магнитопровода.

В частности, известен двухполюсный асинхронный двигатель, статорная обмотка которого выполнена таким образом, что укорочение шага обеих частей обмотки задают в пределах от 0,388 до 0,416 при соотношении чисел витков треугольника и звезды равном (Патент РФ ИЗ 2046515, Н02К 17/06, 20.10.1995).

По сравнению с общеизвестным трехфазным асинхронным двигателем, в котором статорная обмотка выполнена в виде секций из множества витков изолированного медного провода, соединенных в разные группы, которые соединены в звезду или треугольник, указанный выше аналог обладает рядом преимуществ и отличается, прежде всего, большей удельной мощностью и повышенными энергетическими характеристиками. Так, при перегрузке частота вращения вала аналога уменьшается, но при этом ток практически не растет. То же происходит и при внезапном падении напряжения в цепи. Двигатель продолжает экономично работать с меньшими оборотами, не перегреваясь. После восстановления напряжения питания до номинального уровня, аналог автоматически самозапускается и выходит на расчетный режим работы. Это идеальное качество при «тяжелом пуске» с большим временем переходного процесса, когда требуется «раскрутить» нагрузку с моментом сопротивления значительно, в 2-3 и более раз, превышающим номинальный момент. При недогрузке коэффициент мощности обычного двигателя резко падает, попадая в область низких значений. При перегрузке, частота вращения вала обычного двигателя уменьшается незначительно, а ток резко растет, двигатель перегреваться. При недогрузке коэффициент мощности аналога падает плавно, оставаясь в области высоких значений, за счет чего такой электродвигатель работает очень экономично. КПД обычного двигателя резко падает при понижении напряжения питания, а КПД аналога снижается плавно, сохраняя высокие показатели даже при значительных падениях напряжения (30% и более).

Вместе с тем аналогу присущ ряд недостатков, в частности: повышенная сложность и материалоемкость изготовления, вызванные увеличенным расходом пазовой и лобовой изоляции, низкий уровень безопасности, вызванный повышенным потенциалом между секциями, находящимися в одном пазу, что в свою очередь влечет повышенный расход пазовой и лобовой изоляции. Кроме того, недостаточно высока эффективность, вызванная невозможностью изготовить машину с фазовым сдвигом начал обмоток на дробное число пазов (например, статор имеет 36 пазов, обмотка 2р=4, т.е. статор содержит 720 электрических градусов, следовательно, на паз приходится 20 электрических градусов, а сдвиг начал фаз должен составлять 1,5 паза, что практически невыполнимо в аналоге).

Наиболее близким решением по технической сути и достигаемому результату является энергосберегающий привод для электротранспорта который состоит из источника электрической энергии, управляемого частотного преобразователя-рекуператора и электрической машины переменного тока в виде четырехфазного короткозамкнутого асинхронного двигателя или в виде «Русского параметрического электродвигателя Яловеги» (Патент РФ ПМ 107648, Н02К 7/00, 25.03.2011).

К преимуществам прототипа следует отнести увеличение удельной мощности двигателя, снижение пускового тока и повышение пускового момента привода.

Недостатками прототипа являются: низкий уровень безопасности, вызванный повышенным потенциалом между секциями, находящимися в одном пазу, что в свою очередь влечет повышенный расход пазовой и лобовой изоляции, повышенная сложность и материалоемкость изготовления, вызванные увеличенным расходом пазовой и лобовой изоляции. Кроме того, недостаточно высока эффективность, вызванная невозможностью изготовить машину с фазовым сдвигом начал обмоток на дробное число пазов.

Задача полезной модели - оптимизация конструкции привода электротранспорта путем повышения коэффициента заполнения паза медью за счет уменьшения диаметра проводов «звезды» в ~1,7 и «треугольника» в ~2,8 раза по сравнению со стандартным электродвигателем за счет уменьшения пазовой изоляции, повышение удельной мощности за счет увеличения сдвига по фазе (cos ), возможность изготовления машины при дробном числе пазов сдвига фаз за счет применения диапазона сдвига фаз с 27 до 34 электрических градусов, а также повышение стойкости на пробой за счет нахождения в одном пазу витков одноименных фаз.

Достигаемый при этом технический результат - повышение безопасности привода электротранспорта при одновременном повышении его эффективности.

Поставленная задача и заявленный технический результат достигаются тем, что в приводе электротранспорта, включающем объединенные в электрическую цепь источник электрической энергии, управляемый частотный преобразователь-рекуператор и электрическую машину переменного тока, выполненную в виде асинхронного двигателя с коротко - замкнутым ротором и статором, в пазах которого размещены катушки обмотки статора, подключенные к фазам по схеме звезда-треугольник, обмотка статора выполнена шестифазной и аксиально-симметричной при соотношении чисел витков треугольника и звезды равным , на каждую фазу приходится равное число пазов, катушки различных фаз уложены в разные пазы так, что результирующие векторы магнитного потока соседних фаз образуют между собой электрический угол 27-34°, фазы через одну соединены в звезду и треугольник с образованием выводов, отстоящих друг от друга на 27-34° и соединенных между собой с образованием точек подключения фаз.

Полезная модель поясняется чертежами:

Фиг. 1 - схема заявленного привода электротранспорта;

Фиг. 2 - схема обмотки статора.

Привод электротранспорта (Фиг. 1) состоит из источника электрической энергии 1 (аккумуляторной батареи), управляемого частотного преобразователя-рекуператора 2, состоящего из инвертора 3 на IGBT-транзисторах, микроконтроллерной системы 4 управления приводом и датчиков 5 тока и напряжения, и электрической машины переменного тока, выполненной в виде асинхронного двигателя 6 с коротко - замкнутым ротором.

Статор двигателя 6 имеет, как и прототип, пазы (на Фиг. не показано), в которых размещены катушки 7 обмотки статора, подключенные к фазам А. В, С (Фиг. 2) по схеме звезда 8 и треугольник 9. При этом обмотка статора выполнена шестифазной и аксиально-симметричной при соотношении чисел витков треугольника 9 и звезды 8 равным , на каждую фазу приходится равное число пазов статора, катушки 7 различных фаз уложены в разные пазы так, что результирующие векторы магнитного потока соседних фаз образуют между собой электрический угол =27-34°, фазы через одну соединены в звезду 8 и треугольник 9 с образованием выводов 10, отстоящих друг от друга на 27-34° и соединенных между собой с образованием точек 11 подключения фаз.

Привод электротранспорта работает следующим образом.

При торможении транспортного средства с заявленным приводом асинхронный двигатель 6 переходит в генераторный режим и вырабатываемая им электроэнергия поступает на выход инвертора 3. Система управления приводом 4 в соответствии с показаниями датчиков 5 тока и напряжения переключает инвертор 3 в реверсный режим и трехфазная электроэнергия, поступающая от асинхронного двигателя 6, выпрямляется, суммируется и подается на вход аккумуляторной батареи 1, где сохраняется путем увеличения заряда последней.

Заявленное техническое решение обеспечивает:

- возможность изготовления электродвигателя с дробным числом сдвига фаз;

- возможность регулировки частоты вращения вала электронным преобразователем частоты;

- высокие показатели эффективности:

- механическая характеристика устойчивая, а пусковой момент максимальный и в 2-3 раза больше;

- при неноминальной нагрузке энергетический КПД снижается незначительно;

- при колебаниях напряжения, в том числе падении в несколько раз, не «опрокидывается», как обычный АД, а устойчиво продолжает работать с меньшей мощностью, но с высоким КПД;

- понижена кратность пусковых токов с 7 до 4,5;

- критический момент и резкий останов отсутствует.

Экспериментально подтверждено:

- увеличение удельной мощности на 20-50%;

- меньший потребляемый ток 20-50% в зависимости от режима;

- более высокий пусковой момент на 35%;

- меньшие пусковые токи на 35%;

- больший минимальный момент на 35%;

- больший максимальный момент на 20%;

- увеличение на 25-30% пробега электротранспорта, например, электромобиля на одном цикле зарядки аккумуляторных батарей по сравнению с приводом от трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

С учетом изложенного можно сделать вывод о том, что поставленная задача полезной модели - оптимизация конструкции привода электротранспорта - решена, и заявленный технический результат - повышение безопасности привода электротранспорта при одновременном повышении его эффективности - достигнут.

Привод электротранспорта, включающий объединенные в электрическую цепь источник электрической энергии, управляемый частотный преобразователь-рекуператор и электрическую машину переменного тока, выполненную в виде асинхронного двигателя с коротко - замкнутым ротором и статором, в пазах которого размещены катушки обмотки статора, подключенные к фазам по схеме звезда-треугольник, отличающийся тем, что обмотка статора выполнена шестифазной и аксиально-симметричной при соотношении чисел витков треугольника и звезды, равном , на каждую фазу приходится равное число пазов, катушки различных фаз уложены в разные пазы так, что результирующие векторы магнитного потока соседних фаз образуют между собой электрический угол 27-34°, фазы через одну соединены в звезду и треугольник с образованием выводов, отстоящих друг от друга на 27-34° и соединенных между собой с образованием точек подключения фаз.