Рекуперация электродвигателя: Эта таинственная рекуперация / Хабр

Содержание

Эта таинственная рекуперация / Хабр

Двигатель постоянного тока, стоящий в моноколесе, может работать как генератор, заряжая батареи на торможении. Однако возможность еще не означает, что рекуперация непременно есть. Из того, что у людей заряжались колеса при, например, спуске с горы, можно сделать вывод, что рекуперация в моноколесах все-таки используется, но ее точный вклад в торможение оставался неизвестным. Но недавно пользователи форума Электротранспорт.ру сделали полноценный ваттметр с логгером и посмотрели, что происходит с током и напряжением при езде. По результатам измерений рекуперация есть точно, но куда-то пропал еще один тип торможения.

Немного физики

Электродвигатели постоянного тока, которые стоят на моноколесах, имеют три варианта торможения.

Рекуперативное торможение. В этом случае двигатель превращается в генератор и переводит кинетическую энергию в электрический ток, который уходит в сеть (электровозы и метро) или в аккумуляторы (электрокары). Рекуперативное торможение возможно, когда скорость вращения превышает скорость идеального холостого хода.

Реостатное торможение. Здесь двигатель также работает, как генератор, но получаемая энергия уходит в нагрев тормозных резисторов. Довольно распространено на железной дороге.


Тормозные резисторы

Реверсивное торможение, оно же торможение противотоком или противовключением. В этом случае двигатель не превращается в генератор, но начинает тянуть в противоположную движению сторону. Например, если электромотор тянет вверх груз, и на этот груз запрыгивает хулиган, перевешивая возможности мотора, то груз начнет опускаться, а двигатель окажется в режиме реверсивного торможения. В таком режиме протекающий через обмотки ток гораздо выше, чем при нормальной работе, и это может создать определенные проблемы.

Специфика моноколеса

У многих моноколес нет передней и задней части, и контроллер не разгоняется и не тормозит, а все время решает задачу обратного маятника, пытаясь подъехать под ездока, который может пользоваться этим для эффектных трюков.


Например, здесь райдер очень резко тормозит и начинает разгоняться вправо.

Также, известно, что в конструкции моноколеса нет тормозных резисторов, и реостатное торможение в принципе невозможно. Теоретически, логично предположить, что в процессе торможения сначала на высокой скорости будет задействоваться рекуперативное торможение, которое на каком-то этапе перейдет в торможение противовключением, которое, если мы не прекратим давить на педаль в ту же сторону, перейдет уже в двигательный режим, и мы поедем в противоположную сторону. Но реальные измерения оказались очень любопытными.

Исследования на железе

Пользователь форума Drift3r собрал из Raspberry Pi и «nRF24L01+» ваттметр с логгером, который устанавливался в разрыв кабеля от аккумуляторных батарей.

В собранном виде на колесе другого пользователя Ripido

Ваттметр учитывал направление тока, там, где батареи заряжались, ток и мощность уходили в минус.


График в полном размере

Если посмотреть на красные линии, то получается, что в глубоком устоявшемся торможении не видны следы торможения противотоком — пока скорость падает, ток идет в батареи.

Интересно, что показатели встроенного логгера, если не учитывать ток по модулю, отличаются от данных ваттметра только на участках довольно резких маневров.


График в полном размере, Awhe, Vwhe — встроенный логгер колеса, Alog, Vlog — логи ваттметра

Гипотезы и возможные эксперименты

Как можно объяснить такие графики?


  1. Торможение противотоком пропало из-за усреднения или рассинхронизации данных, графики не отражают реального положения вещей.
  2. Очень низкое значение скорости идеального холостого хода позволяет тормозить почти до нуля, и переход на торможение противотоком мы не замечаем

Также, попробуем провести следующий мысленный эксперимент. Ситуация первая — мы катимся с горки со скоростью 20 км/ч. В этом случае, очевидно, работает рекуперация. Ситуация вторая — мы стоим на горке (моноколесо стоять не может, так что мы легко касаемся пальцами столба и за счет этого не заваливаемся набок). В этом случае мы, очевидно, работаем в тяговом режиме, потому что надо прикладывать усилие, чтобы не покатиться вниз.

Ситуация третья — мы спускаемся со скоростью 1 миллиметр в секунду с крутой горки, придерживаясь за столб. В этом случае колесо, очевидно, работает в режиме противовключения, потому что итоговый баланс энергии отрицательный — она расходуется на то, чтобы не скатиться под горку быстрее, чем мы движемся. И где-то между ситуациями 1 и 3 у нас будет переходный момент, когда итоговый энергетический баланс будет околонулевым — скатываться быстрее будет выгодно энергетически, а движение медленнее будет требовать энергетических затрат.

Практическое применение

У всех этих рассуждений есть очень простые следствия:

Есть забавная история о том, как на трассе заряжали электромобиль Tesla — его взяли на буксир, и водитель Tesla давил на педаль тормоза, чтобы рекуперация заряжала батареи. С моноколесами то же самое — если у вас почти сел аккумулятор, пусть вас возьмет на буксир соратник на велосипеде, самокате, роликах или моноколесе (пожалуйста, берегите себя и не пробуйте цепляться за машины или общественный транспорт!).

У моноколес есть защита от перезаряда батарей. То есть, если вы оказались на вершине горы с полной батареей, попытка спуститься будет сопряжена с тревожными сигналами моноколеса о перезаряде аккумуляторов — обычно они начинают пищать и задирать педали (вместо горизонтального положения их передняя часть будет выше задней). Но это легко исправить — проехав метров сто вверх, желательно побыстрее, вы сможете спуститься на километр-два. Лайфхак повторять до окончания спуска.

Заключение

В публикации использованы фотографии пользователей

Ripido

и

Drift3r

, темы, где обсуждалась рекуперация

тут

и

тут

. Также использованы стоп-кадры из рекламного ролика с участием недавнего победителя конкурса моноколесных талантов Дамьена Гоме. Дамьен — профессиональный акробат, поэтому ролик, на мой взгляд, красив сам по себе и наглядно показывает возможности любого хорошего моноколеса.

Возможность увеличения энергии рекуперации электродвигателя при механическом торможении его вала

В статье рассмотрена возможность увеличения энергосбережения при механическом торможении вала электродвигателя. Результаты эксперимента показали, что энергоэффективность в новой спроектированной конструкции электродвигателя с вращающимся статором при механическом торможении, больше в 2.5 раза, чем в аналогичном электродвигателе со статичным статором.

Известно, что электродвигатель при торможениях может вырабатывать электроэнергию. Такое торможение широко используется в электромобилях, трамваях, троллейбусах, электричках, поездах, а также в центрифугах и в подъемно-транспортной технике (краны, подъемники, лифты) и т.д., но при этом количество вырабатываемой электроэнергии в режимах механического тормоза сравнительно мало.


Диаграммы характеризующие один из режимов получаемой энергии рекуперации совместно с механическим (фрикционным) тормозом, для гибрида. График взят отсюда.

Было замечено, что статор двигателя может вращаться при торможениях, если дать для этого ему возможность, например поставить в подшипник. Пришла идея использовать энергию такого вращающегося статора, т. е. здесь остановившийся из-за механического торможения ротор, будет выполнять роль статора, а вращающийся статор, роль ротора. Условное изображение этого процесса показано на видео, сначала вращается условный ротор, с нагрузкой на валу, потом условный статор:

Естественно, для достижения нужного момента на валу, его статор должен быть статичным. Скорость вращения статора, при механическом торможении, здесь будет зависеть от достигнутого момента на валу, момента инерции самого статора и момента трения, от которого зависит вращение статора. Т.е. формула, которая описывает вращение статора должна выглядеть вот так:

— угловое (вращательное) ускорение статора
— угловое (вращательное) ускорение вала перед торможением
— момент инерции статора
— момент инерции вала
— момент трения действующий на вращение статора

Опишем подробней эксперимент. Была изготовлена экспериментальная установка:

Она состояла из переносной платформы, на которой был укреплен электродвигатель, тормоза и измеряющие приборы. Для электродвигателя с возбуждением от постоянных магнитов, мощностью 250 Вт, был сделан переходник из текстолита, в который вворачивалась стальная шпилька, шпилька вставлялась в корпусной подшипник, переходник позволял вращаться статору в подшипнике при торможении вала двигателя, а также по выбору, для последующих сравнений, оставлять статичным статор, с помощью вставляемого упора.
К валу электродвигателя присоединялся алюминиевый диск диаметром 300 мм, толщиной 10 мм, а к диску, в свою очередь, устанавливался ручной механический тормоз.

При механических торможениях, энергия рекуперации подавалось в двухканальный USB-осциллограф PCS 250, осциллограф выдавал значение этой энергии на компьютер.
Для измерения энергии, от установки на второй канал осциллографа подсоединялись несколько резисторов сопротивлением 1 Ом, мощностью 20 и 100 Вт, соединенные параллельно между собой, которые служили для расчета тока в цепи.
Запись данных энергии рекуперации при механическом торможении вала, проводились в двух режимах, при не вращающемся статоре и вращающемся статоре.
Для этих двух режимов был выбран одинаковый максимальный интервал частоты вращения диска, при котором велась запись данных эксперимента, этот интервал составлял от 500 до 600 об/мин. Всего было сделано 12 замеров для каждого режима.
В итоге для обработки были взяты по 8 измерений для каждого режима. Чтобы среднеарифметическое значение максимальной частоты вращения вала перед торможением, для двух режимов были примерно одинаковы.
С помощью расчета среднеквадратичного отклонения (для каждого режима отдельно) были отсеяны результаты получаемой энергии рекуперации, не попадающие в доверительный интервал.
Для вращающегося статора среднеарифметическое составило 558.5 (об/мин), для статичного статора 559.1 (об/мин).
Среднеарифметическое значение получаемой энергии рекуперации при механическом торможении для вращающегося статора составило 5.3 Дж, для статичного статора 2.04 Дж.


Количество испытаний и число получаемой энергии для двух режимов

Стоит обратить внимание на характер полярности выдаваемой энергии рекуперации при механических торможениях, в электродвигателе новой конструкции напряжение меняло свою полярность, на обратную:

А в конструкции со статичным статором, напряжение не меняло свою полярность:

На рисунках заштрихована область механического торможения. Одна клетка на осциллограмме для t (времени) равна 200 мс, для U (напряжения) равна 0.2 В.

Чтобы использовать энергию обратной полярности, можно использовать для этих целей переключатель полярности.

Также стоит заметить, что рекуперация с вращающимся статором в режиме без механического торможения будет меньше, поэтому время «включения» вращения статора перед механическим торможением должно быть по возможности минимальным, но достаточным, чтобы энергия вращения от ротора перешла на статор. Судя из осциллограмм достаточным было время около 100 мс, и в этом промежутке времени не видно значительных потерь, вероятно, можно еще уменьшить время до механического тормоза. Были идеи сделать второй статичный статор над вращающимся статором, чтобы уменьшить потери при не механическом торможении, но это усложнит конструкцию электродвигателя.

Предшествующей этой разработке, была конструкция с электродвигателем последовательного возбуждения, в которой статор, также осуществлял вращения, при механическом торможении вала.

Вывод: В опытной конструкции двигателя при механическом торможении вала с вращающимся статором получается в 2,5 раза энергии рекуперации больше чем со статичным статором, что наглядно иллюстрирует возможность повысить энергосбережение электродвигателей в режимах механического торможения. Количество энергии рекуперации здесь будет больше чем больше перед торможением момент вращения вала и чем меньше момент трения у вращающегося статора, а также допустимый для вращения статора его момент инерции, а чем меньше момент вращения вала и больше момент трения вращающегося статора и т.д., тем энергия рекуперации будет меньше, т.е. не смотря на получаемый эффект стоит задаться вопросом об окупаемости и надежности конструктивных изменений для устройства, в котором может использоваться электродвигатель с таким эффектом.

Ведение проекта: Юлиан Барышников (проектировка, сборка, проведение эксперимента, изготовление деталей, написание статьи, идея) — [email protected] ru

Помощь проекту: Виталий Азаров (проектировка, сборка, проведение эксперимента), Антон Алёшкин (проектировка, сборка, изготовление деталей), М.В. Яковицкая (редакция статьи), Александр Троицкий (проведение эксперимента), Николай Еремин (ПО к измерительному прибору), Алена Чумак (проектировка), Фаблаб Политех СПб (изготовление деталей, измерительный прибор, проведение эксперимента).

Рекуперация в частотно-регулируемых приводах и методы энергосбережения

Авторы: K. R. Rasin, Arunkumar G
Автор перевода: Е. Ю. Балабанов
Источник: International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), 2017, Page 1246 – 1249.

Аннотация

K. R. Rasin, Arunkumar G Рекуперация в частотно – регулируемых приводах и методы энергосбережения. В этой статье рассматриваются различные варианты рекуперации линии питания для эффективного использования генерированной мощности асинхронного электродвигателя с переменной частотой вращения приводов и сравнение этих методов.

Когда асинхронный двигатель приводится в действие приводом с переменной частотой, электрическая мощность, подаваемая из источника питания, генерируется обратно, в то время как двигатель замедляется, применяя отрицательный крутящий момент к валу двигателя. Энергосистема внутри частотно – регулируемых приводов обычно ограничена, поэтому рекуперация энергии должна осуществляться обратно в энергосистему вместо рассеивания в виде тепла

1. Введение

В некоторых производствах требуется работа в области квадранта, где приложенный крутящий момент находится в противоположном направлении вращения асинхронного двигателя.

Частотно – регулируемый привод должен включать в себя накопительную энергию от механической нагрузки через клеммы двигателя к инвертору. Эта ситуация возникает, когда частотно – регулируемый привод пытается препятствовать вращающемуся асинхронному двигателю, например, инерция двигателя начинает замедляться, или ситуация при использовании нагрузки, как в динамометре, или при удержании вращающего момента. Когда нагрузка подается обратно на запасенную энергию на переднюю часть, основные конденсаторные шины постоянного тока привода начинают заряжаться. Отсутствие рационального метода использования этой энергии приведет к продолжению повышения напряжения шины постоянного тока до опасного уровня, и привод отключится от неисправности шины по напряжению.

Метод под названием «Рекуперация линии» разряжает эту энергию от конденсаторов шины постоянного тока и передает ее обратно на линию переменного тока. Рекуперативная мощность может рассеиваться с использованием устройства тормозного прерывателя и тормозного резистора там, где привод будет защищен от отключения при перенапряжении. Также имеется возможность управления перенапряжением в частотно-регулируемых приводах. Значительная экономия энергии может быть достигнута рекуперативным блоком питания, особенно при частом включении и выключении, замедлении и большой инерционной нагрузке, а крутящий момент находится в переменном состоянии. Такие системы применяются в декантационных центрифугах, подъемниках, шпиндельных приводах, краная, лифтах и т. д., поскольку стоимость электроэнергии за киловатт – час дороже. Таким образом, будет полезно разобраться в основах регенеративных установок и проанализировать оценку экономии энергии. В зависимости от применения доступны три типа рекуперативных блоков питания. Основные характеристики и мощности топологии объясняются и сравниваются. Система динамического тормозного прерывателя и резистора используется для преобразования регенерированной мощности в потери тепла из-за низкой стоимости установки и простоты.

1.1 Рекуперативный преобразователь

Рисунок 1 – Рекуеративный преобразователь

В большинстве применяемых приводов используются тормозные прерыватели и резисторы для простого рассеивания мощности в виде тепловых потерь. Эффективное низкобюджетное альтернативное решение, называется регенерацией энергии, с использованием регенеративных преобразователей, которые могут заменить использование схемы динамического торможения и внешний тормозной резистор. Во время рекуперации избыточная рекуперативная энергия, доступная в переднем конце инверторного преобразователя частоты, переводится к источнику переменного тока через схему преобразователя. На рисунке 1 показано, как избыточная рекуперативная энергия будет поддерживать обратную связь асинхронного двигателя со стороны питания, используя схему рекуперативного преобразователя, параллельную цепи преобразователя частоты. В двигательном режиме преобразователь частоты передает питание на клеммы двигателя, не используя рекуперативный преобразователь, в виде основного потока мощности. Таким образом, двигатель работает без потерь в рекупееративном преобразователе.

При рекуперации, конденсаторы постоянного тока начинают заряжаться. Рекуперативный преобразователь включается из-за сгенерировавшейся энергии конденсаторов постоянного тока преобразователя частоты. Рекуперативный преобразователь преобразует напряжение постоянного тока в переменный ток и возвращает накопленную энергию из конденсаторов постоянного тока в сеть.

Размер преобразователей частоты зависит от номинальных значений мощности, поэтому размер рекуперативных преобразователей будет зависеть от размера двигателя, коэффициента рекуперации и коэффициента полезного действия.

6–ступенчатый ШИМ – метод используется для переключения, тем самым может уменьшить потери переключения до очень низких значений. В некоторых применениях требуется очень большое количество циклов торможения, в таких ситуациях рекуперативный преобразователь может снизить стоимость использования электроэнергии, значительно повысив эффективность системы.

1.2 Синусоидальный ШИМ преобразователь

В обоих режимах двигательного и рекуперативного питания было разработано высокоэффективное решение для регулирования напряжения шины постоянного тока, называемого синусоидальным преобразователем ШИМ. Преобразователь предназначен для генерации синусоидального сигнала тока на стороне электросети с очень низкой скоростью гармонических искажений, приблизительно говоря, что полное гармоническое искажение (THD) будет составлять 5%. Инвертор предназначен для соответствия стандарту IEEE–519.

Рисунок 2 – Синусоидальный ШИМ преобразователь

Чтобы сделать возможной синхронизацию с управляющим входным сетевым напряжением и входным током, также имеет место, что позволит получить единицу входного коэффициента мощности. Синусоидальный ШИМ – преобразователь последовательно соединен между приводом переменного тока и входной линией электропередач.

Чтобы уменьшить сетевые гармоники, фильтр переменного тока устанавливается перед преобразователем со стороны сети, как правило, LCL – фильтр используется в качестве компонента внешнего гармонического фильтра для уменьшения гармоник переменного тока. Для управления инвертором в основном используются синусоидальные ШИМ – методы, благодаря которым, можно управлять выходным напряжением и частотой, соответственно синусоидальными функциями. Широко используется синусоидальная широтно-импульсная модуляция в управлении производством.

Из-за простоты цепи, схема управления так же проста. Методы SPWM характеризуются одинаковой амплитудой импульсов с различными рабочими циклами для каждого периода. Ширина этих импульсов контролируется для получения модуляции выходного напряжения инвертора и минимизации его гармонического содержания путем уменьшения THD.

1.3 Матричный преобразователь

Матричный преобразователь представляет собой одноступенчатый рекуперативный преобразователь с прямым преобразованием переменного тока в переменный, имеющий способность к движению и рекуперации. Благодаря использованию двунаправленных управляемых переключателей, возможно прямое преобразование энергии из переменного тока в переменный ток.

Преобразователь характеризуется синусоидальными формами сигналов, которые определяют частоты выходного и входного переключения. С помощью двунаправленных переключателей можно управлять вводом коэффициента мощности. Кроме того, основным преимуществом является отсутствие напряжения постоянного тока, обеспечивающего компактный дизайн.

Матричный преобразователь, используемый для управления асинхронными двигателями, имеет больше преимуществ по сравнению с традиционными преобразователями переменной частоты выпрямительно-инверторного типа. Входные и выходные сигналы матричного преобразователя синусоидальные, с минимизированными компонентами гармоник более высокого порядка, субгармоник нет. Матричные преобразователи имеют потенциал потока энергии в обоих направлениях. Коэффициент входной мощности можно полностью контролировать. Он имеет минимальные требования к накоплению энергии, что улучшит срок службы накопительных конденсаторов энергии.

Недостатками матричных преобразователей являются коэффициент передачи его максимального входного и выходного напряжения, ограниченного почти 85 % для синусоидального выхода и входных сигналов. По сравнению с обычными частотными преобразователями матричные преобразователи требуют большего количества полупроводниковых устройств, которые увеличивают напряжение переключения. Дискретные однонаправленные устройства по-разному предназначены для использования для каждого двунаправленного переключателя, поскольку не существует монолитных двунаправленных переключателей. Он чувствителен к колебаниям системы входного напряжения. В матричных преобразователях с использованием девяти двунаправленных переключателей переменный входной ток напрямую преобразуется в выходной переменный ток. Таким образом, синусоидальная рекуперация преобразователя и частотные функции объединены. Эта комбинация позволяет асинхронным двигателям работать в рекуперативных и двигательных режимах без использования дополнительного привода.

Традиционная схема выпрямительного инвертора требует большего обслуживания, поскольку в основном потоке мощности в качестве схемы фильтра находится диодный выпрямитель и электролитический конденсатор постоянного тока. Обычно электролитический конденсатор громоздкий по размеру и имеет более короткий срок службы, чем другие детали. Но в матричных преобразователях присутствует электролитический конденсатор, требующий меньшего обслуживания. В матричных преобразователях можно управлять входным током, что значительно снижает гармоники входного тока. В режиме полной нагрузки входной ток гармонического THD находится в диапазоне 5% – 10%. В отличие от традиционных частотных преобразователей схема внешнего линейного реактора не требуется для минимизации гармоник тока, которые обычно являются громоздкими по размеру.

2. Энергосбережение использованием рекуперативных преобразователей

Для производства требуется обратная связь с избыточной рекуперацией энергии в сети питания, возможна линейная рекуперация. Рекуперация происходит, когда нагрузка пытается вращать вал двигателя быстрее выходного сигнала инвертора. Обычно это называется перегонкой и может возникать при попытке уменьшить скорость нагрузки или приложить механическую энергию к двигательной системе при нагрузке. В этих условиях инвертор ведет себя так, чтобы сдерживать вращение нагрузки по инерции, что приводит к рекуперации. Здесь инвертор используется для отправки избыточной рекуперативной энергии обратно в сеть методом рекуперации линии. Для этого система привода должна использовать рекуперативный преобразователь. Этот преобразователь подключен к общей сети постоянного тока, как и существующие накопители. Преобразователь получает избыточную энергию обратной связи, вызванную постоянным напряжением от шины постоянного тока и выдает шестиступенчатую форму волны обратно в сеть.

При использовании матричного преобразователя коэффициент мощности всегда поддерживается почти на уровне 0,95. Поскольку коэффициент мощности является постоянным или независимо от рабочей частоты, потери энергии минимизируются. Рекуперация приводит к увеличению напряжения шины постоянного тока, приведет к отключению привода переменной частоты из-за перенапряжения шины постоянного тока. Традиционный метод решения этой проблемы заключается в использовании тормозной цепи прерывателя и внешних резисторов, рекуперативная энергия рассеивается как потери тепла.

Чувствительное напряжение цепи шины постоянного тока сопровождаются транзистором, который ощутит увеличение напряжения постоянного тока, и которое позволит рассеивать мощность на внешнем резисторе с помощью установленных транзисторов. Вместо простого недостатка энергии как потери в тепло, мы можем преобразовать в эффективную форму и использовать в сети. Рекуперативные преобразователи заменяют традиционную систему динамического торможения и преобразуют эту рекуперативную энергию обратно в сеть питания. Он преобразует эту рекуперативную энергию обратно в сеть в виде трехфазного переменного тока вместо того, чтобы тратить ее на потери тепла. При этом рекуперативная энергия, может быть обратной связью на входе потребителя и минимизировать потребление энергии и, следовательно, счета за коммунальные услуги. Другими словами, блок рекуперативного преобразователя похож на вторичный генератор, размещенный в сети электромагистрали, подавая питание на него, происходит синхронизация с ним.

2.1 Оценка экономии энергии

Рекуперативный преобразователь преобразует избыточную рекуперативную энергию в сеть при том же условии, что энергия рассеивается в тепло. Таким образом, вычисление общего энергосбережения с использованием рекуперативного преобразователя одинаково для расчета потерь тепла в тормозном резисторе. Для вышеуказанного требуемого цикла торможения, необходимо определить тормозной момент. Из полученных данных можно вычислить общее количество рекуперированной энергии за данный период рекуперативный преобразователь преобразует почти 95% сгенерированной энергии в сеть. Это дает все переменные, необходимые для расчета кВт – ч, генерации для заданного периода времени. Зная уровень спроса на коммунальные услуги, эти значения пересчета могут быть преобразованы в деньги и, следовательно, период окупаемости.

2.2 Сравнение рекуперативных преобразователей

В преобразователях с частотным приводом в возобновляемом состоянии все вышеупомянутые преобразователи обладают хорошей способностью к экономии энергии, вместо того, чтобы тратить преобразованную энергию просто как потерю тепла во внешней цепи резистора. Цепь преобразователя, упомянутая в первом соединении VFD в первом разделе, представляет собой низкую гармонику входного тока, и требуется место для установки среднего уровня. Лучшим недорогим решением является синусоидальный ШИМ-преобразователь, который имеет выгодную экономию и стоимость с использованием рекуперативного торможения и множественного VFD – соединения, что похоже на первый преобразователь. Наилучшее решение может быть разным, если важны дополнительные преимущества, такие как низкочастотные гармоники тока и коэффициент мощности близкий к единице.

Матричные преобразователи – это ещё одно справедливое решение, которое требует меньшего пространства по сравнению с другими двумя модулями рекуперативных преобразователей, и множественное соединение VFD невозможно, а матричный преобразователь является продуктом, который имеет как рекуперативный преобразователь, так и возможности VFD. В таблице приведены единицы энергии при рекуперации.

Таблица 1. Единицы энергии при рекуперации.

Пункт Регенеративный конвертер Преобразователь PWM Матричный преобразователь
Экономия затрат на услуги за счет рекуперативного торможения Хорошо Хорошо Хорошо
Низкие гармоники входного тока Ничего Хорошо Хорошо
Несколько VFD – соединений Да Да Да
Первоначальная стоимость, включая VFD Хорошо Справедливо Хорошо
Улучшение коэффициента мощности Нет Хорошо Хорошо
Место установки, включая VFD Средний Большой Маленький

При рекуперации производится огромное количество энергии в частотно – регулируемых приводах. При использовании тормозного рассоединителя и внешнего резистора избыточная рекуперационная энергия просто теряется в виде тепла. Можно обнаружить, что из расчета энергосбережения почти 50% энергии тратится впустую как простой нагрев. Используя рекуперативные преобразователи, эта чрезмерная регенерированная мощность может быть обратной связью с сетью. Для нескольких подключений VFD преобразователи, описанные в первом и втором разделе, являются хорошим выбором, но в общем исполнении матричный преобразователь является более эффективным.

Список использованной литературы

1. D. H. Braun; T. P. Gilmore; W. A. Maslowski Regenerative converter for PWM AC drives, IEEE Transactions on Industry Applications, Volume: 30, Year: 1994, Issue: 5 ,Pages: 1176 – 1184, DOI: 10.1109/28.315227
2. Patrick. W. Wheeler, J. Rodriguez, Jon. C. Clare, L. Empringham, Matrix converter-A Technology Review, IEEE Trans. Ind. Electron, vol. 49, no. 2, pp. 276–288, Apr. 2002.
3. Norm Lindner, Line regenerating with variable speed AC drives.

Электромобиль: Эффективный под капотом | DEKRA

Электромобиль: Эффективный под капотом

Если это был бы просто вопрос эстетики, то электронный двигатель вряд ли смог бы конкурировать с элегантностью шестицилиндрового двигателя. Поскольку он в основном состоит из компактного корпуса, магнитов, медной проволоки и вала, потенциал для грандиозного зрелища довольно ограничен. Электронные двигатели должны впечатлять своими внутренними ценностями. И у них их предостаточно.

Электродвигатели поражают своей эффективностью. Фото: Shutterstock – герр Лоффлер

“Одним из больших преимуществ электродвигателя является эффективность, с которой он преобразует электроэнергию в мощность механического привода. Особенно в условиях городского движения электродвигатель превосходит двигатель внутреннего сгорания”, — говорит Андреас Рихтер, инженер Центра компетенций DEKRA в области электромобилей. С технологической точки зрения нет причин, по которым вы не должны использовать электромобиль, чтобы, например, забрать булочки в пекарне. В отличие от двигателя внутреннего сгорания, у электромобиля нет проблем с холодным запуском и износом. Как объясняет Андреас Рихтер, двигатели электромобилей обладают очень высокой степенью эффективности, которая может превышать 90 процентов. Большая часть этой энергии используется для движения. Баланс для двигателей внутреннего сгорания намного хуже – в городе КПД может составлять менее десяти процентов, в то время как при средних и высоких нагрузках он достигает КПД в диапазоне от 25 до 40 процентов. Остальная энергия теряется в виде неиспользованного тепла.

Будь то электромобиль или стиральная машина – базовая конструкция двигателя одна и та же

Электродвигатели — это технология, которая была опробована и испытана в широком спектре применений в течение многих десятилетий. Поэтому базовая конструкция двигателя в электромобиле практически ничем не отличается от конструкции стиральной машины. В большинстве случаев используются двигатели переменного тока (AC), или, точнее, трехфазные двигатели. Это означает, что переменный ток поступает в корпус двигателя через три отдельных проводника (фазы). Внутри находятся два ключевых элемента привода, которые за счет взаимодействия электрических и магнитных сил преобразуют энергию, поступающую от батареи, в механическую энергию для приведения автомобиля в движение. Статор является неподвижной частью внутри корпуса и отвечает за мощность и эффективность. Ротор, в свою очередь, вращается внутри цилиндрического статора и прочно соединен со стальным валом для передачи энергии. Взаимодействие между ними начинается с момента запуска транспортного средства.

Взаимодействие магнитных сил заставляет вал двигателя вращаться

Во время электрической работы переменный ток поступает на катушки статора через клеммы на корпусе двигателя. Затем катушки непрерывно генерируют магнитное поле с короткими периодическими интервалами. Однако магнитные поля на различных катушках всегда генерируются с временным смещением друг от друга – это создает так называемое вращающееся поле внутри статора. Но как происходит вращательное движение ротора? Это зависит от конструкции электродвигателя.


Эксперты DEKRA проверяют соблюдение правил и мер безопасности на электромобилях. Фото: DEKRA Automobil

В синхронных двигателях роторы генерируют собственное магнитное поле. Используются магниты с постоянным магнитным полем – это называется синхронным двигателем с постоянными магнитами (PSM). Однако ротор также можно превратить в электромагнит с помощью постоянного тока – тогда система называется синхронным двигателем постоянного тока (FSM). В обоих случаях магнитные поля статора и ротора взаимодействуют путем притяжения и отталкивания их полюсов. Это приводит к вращательному движению, при котором ротор вращается синхронно с электромагнитным полем статора.

В асинхронных двигателях применяется другой принцип. Здесь ротор обычно не имеет ни магнитов, ни собственного источника питания. Вместо этого электромагнитное поле статора индуцирует ток в проводниках ротора, которые затем создают магнитное поле. В этой системе ротор всегда вращается немного медленнее, чем меняется электромагнитное поле статора – отсюда и название «асинхронный» двигатель. Эта конструкция считается особенно прочной и отличается высокой стабильностью на высоких скоростях. Синхронные двигатели, с другой стороны, обладают преимуществами с точки зрения плотности мощности и эффективности.

Силовая электроника берет на себя управление электропитанием

Одна из задач разработчиков двигателей состоит в том, чтобы подобрать автомобиль и силовой агрегат к желаемому профилю вождения. Это может быть проще для компактного автомобиля, чем для внедорожника с гораздо более широким использованием. Однако в обоих случаях силовая электроника является ключевым игроком в концепции привода автомобиля. Помимо прочего, электроника отвечает за управление питанием двигателя. Например, если автомобиль должен ускориться, силовая электроника определяет, сколько дополнительной энергии требуется, исходя из положения педали акселератора. Поскольку батарея отдает только постоянный ток, электроника должна обеспечивать ток в правильной форме, силе и частоте. С другой стороны, в случае рекуперации она берет на себя задачу преобразования энергии торможения в электрическую энергию постоянного тока и подачи ее в аккумулятор. Кроме того, силовая электроника постоянно следит за частотой вращения и мощностью двигателя. Она знает состояние аккумуляторных батарей и взаимодействует с зарядными станциями во время зарядки.

Полезно знать: Электрические двигатели также могут работать в режиме генератора. В этом случае они преобразуют механическую энергию в электрическую во время замедления, тем самым заряжая аккумулятор. Эта так называемая рекуперация увеличивает запас хода электромобиля. Это особенно эффективно там, где торможение требуется чаще – например, на трассах с уклоном вниз или в городском движении с часто меняющимися скоростями. По оценкам эксперта DEKRA Андреаса Рихтера, опытные водители могут увеличить запас хода на 20 процентов, умело используя рекуперацию.

Производительность электродвигателя становится очевидной на дороге


Измерение мощности: Теоретически электродвигатель также может работать в полную силу при движении задним ходом. Фото: DEKRA Automobil

Люди, которые используют электронный автомобиль в качестве второго автомобиля или чисто городского транспортного средства, могут довольствоваться меньшей мощностью. Даже при номинально слабом двигателе быстрая езда в городском движении вполне возможна. “Это связано с тем, что максимальный доступный крутящий момент электродвигателя почти полностью доступен при разгоне с места”, — говорит Андреас Рихтер. Однако на проселочных дорогах или шоссе крутящий момент слабого двигателя рано или поздно иссякает. Затем двигатель вырабатывает свой максимальный крутящий момент в доступном диапазоне оборотов – но только до тех пор, пока не достигнул максимальной мощности. В этот момент ускорение значительно уменьшается. Однако тем людям, которым нужна мощность, которые ценят максимально высокие скорости или динамичный спринт при обгоне, нужно электродвигатели более высокой мощности. Если бы существовала забавная формула для электромобиля, она звучала бы так: “Мощность можно заменить только еще большей мощностью”.

Полезно знать: Эффективная работа двигателя при любом вождении. Теоретически электродвигатель также может продемонстрировать свою полную работоспособность при реверсировании или рекуперации. Однако, как объясняет эксперт DEKRA Рихтер, производители проектируют электродвигатели таким образом, чтобы было возможно безопасное вождение с минимальным износом. По этой причине мощность электродвигателя обычно значительно снижается сразу же при реверсировании и рекуперации. Энергоэффективного использования электродвигателя также легко добиться на шоссе. Все, что нужно, – это снизить скорость — это уменьшает сопротивление воздуха, которое увеличивается со скоростью.

Трансмиссия является важным элементом в силовой установке

Чтобы механическая мощность наилучшим образом достигала колес, трансмиссия работает в качестве третьего элементы, наряду с двигателем и силовой электроникой. В отличие от двигателя внутреннего сгорания, для постоянного поддержания крутящего момента и мощности в оптимальном диапазоне скоростей нет необходимости в переключении передач, поскольку электродвигатели обеспечивают свою мощность в широком диапазоне скоростей. Тем не менее, у электромобилей также есть трансмиссия. Это связано с тем, что вал ротора может вращаться с чрезвычайно высокими скоростями. Однако приводной вал для передачи механической энергии на колеса должен вращаться гораздо медленнее. Для достижения этой цели автопроизводители обычно полагаются на одноступенчатую трансмиссию, которая снижает скорость. Однако в конструкции трансмиссии есть свобода действий. Porsche Taycan, например, оснащен двухскоростной коробкой передач, которая обеспечивает максимальное ускорение и высокие максимальные скорости. Высокопроизводительные седаны также могли бы воспользоваться двухскоростной коробкой передач. Автомобильный поставщик ZF считает, что это может повысить эффективность электропривода на пять процентов. На практике это означало бы увеличение запаса хода. Но как насчет передачи заднего хода электропривода? Инженеры обходятся без этого. В конце концов, достаточно просто изменить направление вращения электродвигателя, чтобы электромобиль поехал назад.

Полезно знать: трансмиссия становится все более важной в электронном автомобиле. Volkswagen оснащает ID3 одноступенчатой коробкой передач. Поскольку электромобиль развивает максимальную скорость 160 километров в час при максимальной скорости 16 000 оборотов в минуту, потребовалось решение для достижения передаточного отношения к медленной скорости для оборотов приводного вала. Чтобы сэкономить место для установки, инженеры используют две шестерни меньшего размера вместо одного большого зубчатого колеса, которые выполняют функцию промежуточного передаточного числа. Поставщики автомобилей также разрабатывают свои собственные разработки. Например, Bosch только что объединила усилия с Технологическим университетом Эйндховена для разработки автоматической коробки передач, которая непрерывно регулирует скорость и крутящий момент электронного двигателя в соответствии со скоростью автомобиля.

Рекуперация электроэнергии в сеть в задачах электропривода — Технологии — Приводные системы — Каталог статей

Введение

Часто, условия той или иной приводной задачи диктуют необходимость работы электропривода в так называемом четвертом квадранте механической характеристики, т.е. в условиях, когда вращающий момент на валу электродвигателя направлен в сторону, противоположную направлению вращения вала.

В этом случае электродвигатель уже не приводит в движение механизм, а создает тормозящий механизм момент и превращается в генератор электроэнергии.

Стоит отметить, что при работе электродвигателя непосредственно от сети электроэнергия, вырабатываемая электродвигателем передается непосредственно в питающую сеть и рекуперация электроэнергии осуществляется естественным образом.

В случае, если электродвигатель питается от преобразователя частоты с явным звеном постоянного тока (какими являются большинство из присутствующих на рынке приводов), картина существенно меняется, т.к. на входная силовая цепь такого преобразователя частоты представляет из себя трехфазный управляемый диодно-тирристорный выпрямитель и не пропускает электрический ток в направлении от электродвигателя к питающей сети.

В результате электроэнергия вырабатываемая электродвигателем в процессе динамического торможения накапливается в конденсаторах звена постоянного тока и приводит к повышению напряжения на звене постоянного тока и аварийному отклонению преобразователя частоты.

При небольшой длительности торможения двигателем или небольших значениях тормозного момента вырабатываемую в таких режимах электроэнергию «сжигают» на тормозных резисторах, отапливая атмосферу.

Если необходимые в задаче величины тормозных моментов или длительность торможения достаточно велики, габариты подходящих тормозных резисторов и их стоимость существенно увеличиваются и не всегда изготовление походящего тормозного резистора становится возможным.

Задачами с длительными режимами торможения и большими тормозными моментами являются: приводы сахарных центрифуг периодического действия, приводы штанговых глубинных насосов (ШГН), лифты и краны и т.п.

Во всех этих случаях экономически эффективным решением может оказаться возврат генерируемой электродвигателем электроэнергии в сеть, хотя данное решение и имеет существенно большую стоимость.

В настоящей статье излагаются основы функционирования преобразователей частоты с синхронным выпрямителем, или так называемых приводов с выпрямителем AFE (Active Front End) на примере преобразователя частоты POWERDRVE MDR производства компании Leroy-Somer.

Устройство рекуперативного преобразователя частоты с синхронным выпрямителем

Силовые элементы входного преобразователя обычного «нереверсивного» электронного регулятора скорости состоят из неуправляемого диодного моста или управляемого диодно-тирристорного выпрямителя, исключающих возврат электроэнергии в питающую сеть.
Силовые элементы входного преобразователя Рекуперативного POWERDRIVE состоят из шести специальных IGBT модулей включенных встречно. Эта сборка, управляемая специальным контроллером рекуперации, образует синхронный выпрямитель, который не только преобразует переменное питающее напряжение в управляемое постоянное напряжение, но и позволяет обратное движение энергии в питающую сеть.
Этот реверсируемый регулятор имеет на своих трех вводах 3-х фазную систему напряжений, формируемую широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), которая в согласуется с питающей сетью через «выпрямительный» дроссель.
Фильтр радиочастотных помех и сиунс-фильтр, установленные последовательно, устраняют остаточные компоненты тока во входном преобразователе.

Передача электроэнергии

 

Векторная диаграмма ниже иллюстрирует взаимосвязь между напряжением питающей сети и напряжением, генерируемым реверсируемым регулятором скорости и показывает направление потока энергии.

Воздействие на амплитуду и фазу системы напряжений генерируемых Рекуперативным POWERDRIVE фиксирует направление потока энергии. Угол между двумя векторами напряжений составляет примерно 5° при полной нагрузке и при этих условиях регулятор имеет коэффициент мощности близкий к 1.

Такая реверсируемая система обладает следующими основными преимуществами:
— Возможен возврат энергии в питающую сеть;
— Очень низкий коэффициент нелинейных искажений синусоидальной формы входного тока;
— Коэффициент мощности регулятора при возврате энергии в сеть очень близок к 1;
— Выходное напряжение регулятора на электродвигателе может быть больше чем напряжение сети, таким образом, снижая потребляемый электродвигателем ток;

— При торможении перенапряжения, воздействующие на изоляцию электродвигателя снижаются на 25%, что увеличивает срок службы электродвигателя по отношению к электроприводу, укомплектованному тормозным резистором.

К недостаткам схемы с синхронным выпрямителем следует отметить относительную громоздкость рекуперативного преобразователя частоты, построенного по технологии AFE.

Другие схемы рекуперации электроэнергии в сеть

Другим способом возврата электроэнергии в сеть является запатентованная компанией Leroy-Somer технология «С-Light 4 Quadrant» прямого включения IGBT-транзисторов в питающую сеть. При этом исключаются входные фильтры и необходимость в громоздкой цепи предзаряда шины постоянного тока.

Это приводит к существенному снижению габаритов рекуперативного преобразователя частоты. Кроме того, стабилизрованное напряжение в звене постоянного тока дает возможность существенно снизить габариты конденсаторов в звене постоянного тока и изменить их тип с электролитических на твердотельные пленочные.

В результате, рекуперативный преобразователь частоты, спроектированный и изготовленный по технологии «С-Light 4 Quadrant» имеет почти в два раза меньшие габариты по сравнению со стандартным преобразователем частоты с 6-и пульсным выпрямителем.

Об Emerson (Эмерсон)

Об Emerson Industrial Automation TM

О Leroy-Somer

Как устроены турбомоторы Формулы-1 2014 года — ДРАЙВ

Рекуперация энергии появилась в Формуле-1 ещё в 2009 году. Но новый этап внедрения гибридных технологий столь радикальный, что повлиял даже на официальный язык: в документах вместо слова Engine появилось сочетание Power Unit. На фото показан такой «юнит» от Renault под названием Sport Energy F1-2014.

С сезона 2014 года в Формуле-1 уходит эпоха атмосферных моторов V8 2.4, трудившихся с 2006 года. По новому регламенту на болидах появятся турбомоторы объёмом всего 1,6 л. Звучит знакомо. Но если в обычной жизни это рядные «четвёрки», то в спорте — малолитражные V-образные «шестёрки» с высокопроизводительным одиночным турбонаддувом (давление не регламентировано). Да и частота вращения коленвала внушительна — лимитатор по правилам будет срабатывать на 15 000 об/мин. А ещё на этих движках стоит система двойной рекуперации, способная утилизировать не только кинетическую энергию автомобиля во время торможения, как было в недавнем прошлом, но и энергию выхлопных газов. Да-да, в формульном моторе турбина соединена с генератором — как на заправской электростанции! Потому буковка К (kinetic) из общего наименования системы пропала, теперь это просто ERS (Energy Recovery System).

Предыдущие моторы в Формуле-1 (V8 2.4) развивали приблизительно 760 л.с. (точные числа, понятно, не разглашаются). Новые будут выдавать порядка 600 л.с., утверждает компания Renault, и ещё 160 «лошадок» с копейками будет добавлять на разгонах система ERS. Суммарная отдача установки окажется сопоставима с прошлогодней, а то и выше. На снимке — наддувные V-образные «шестёрки» Renault 1980 и 2014 года. Рабочий объём почти одинаков (34 года назад он составлял 1,5 литра), но насколько различны размеры.

С сезона 2014 года мгновенный расход у двигателя внутреннего сгорания на Формуле-1 не должен выходить за рамки 100 кг/час, и 100 килограммами ограничен общий запас топлива на одну гонку. Ранее пиковый расход не регламентировался (а по факту был на 40% выше). Что до суммарного запаса топлива, то его не ограничивали (нельзя было только дозаправиться), но типично в бак помещалось около 160 кг горючего. Так что теперь инженерам команд будет весьма непросто настраивать системы рекуперации на гонку и выбирать стратегию в данной части.

У Мерседеса мотор PU106A Hybrid по общему виду похож на «собратьев». Характерная черта — единственный турбокомпрессор, расположенный позади блока цилиндров. Эта компоновка продиктована правилами: если раньше на болиде были разрешены два выхлопных патрубка, то теперь только один, причём так, чтобы поток газов не создавал аэродинамического эффекта. С той же целью запрещено располагать какие-то дополнительные элементы кузова за выхлопом, чтобы они не направляли поток газов.

Если раньше от системы KERS разрешено было получать максимальную добавочную мощность 60 кВт (81 л.с.) в течение 6,7 секунды за один круг, то теперь лимит повышен до 120 кВт (162 л.с.), и такую мощность можно будет развивать по 33 секунды на каждом круге. Ещё французские инженеры указывают, что если в прошлом году поломка «керса» стоила гонщику лишних 0,3 с на круг, то теперь выход из строя гибридной составляющей болида Формулы-1 фактически оставляет машину за пределами хоть какой-то борьбы.

Снова немецкий двигатель. Обратите внимание на огромный колпак сверху. Так выглядит одна из важнейших проблем, над которой пришлось поломать головы всем компаниям: под сравнительно небольшой кузов болида Формулы-1 теперь нужно втиснуть солидный интеркулер для охлаждения воздуха на впуске. Вообще инженеры говорят, что в новых болидах суммарная площадь различных радиаторов существенно вырастет и их правильное размещение, а также хорошая эффективность окажутся одним из ключей к успеху.

В сезоне 2014 года 11 команд будут использовать двигатели всего от трёх поставщиков. Red Bull, Lotus, Toro Rosso и Caterham возьмут на вооружение мотор Renault Sport Energy F1-2014. Команды Mercedes, McLaren, Force India и Williams возложили свои надежды на агрегат Mercedes-Benz PU106A Hybrid. Наконец, болиды Ferrari увлекать вперёд призваны двигатели Ferrari 059/3, и они же оживят болиды Marussia и Sauber. Творение итальянцев «живьём» пока не показывали, но о нём кое-что уже известно, как и о моторе Mercedes. Однако наиболее детальные сведения о новом двигателе предоставила французская компания.

Ключевые элементы нового формульного мотора Renault. Особого рассказа требуют системы MGU-K и MGU-H.

В новой установке есть два мотор-генератора, способных как вырабатывать ток, так и действовать в роли электродвигателя. Первый называется MGU-K (Motor-Generator Unit-Kinetic). Он соединён с коленвалом ДВС и собирает энергию на торможении, отдавая её высоковольтному накопителю. При разгоне MGU-K добавляет свою мощность к мощности основного агрегата. Эта добавка как раз лимитирована по регламенту 120 киловаттами. Ещё есть ограничение по количеству энергии, которую можно собрать на одном круге (два мегаджоуля), и энергии, которую можно использовать для разгона на одном круге (четыре мегаджоуля), что, к слову, в десять раз больше, чем разрешено было в 2013 году для старого «керса».

У «юнита» Mercedes-Benz PU106A Hybrid две системы рекуперации также именуются MGU-K и MGU-H, и размещены они в целом похоже на компоновку этих агрегатов у Renault.

Устройство MGU-H (Motor-Generator Unit-Heat) — самое интересное в новой Формуле. Это электрическая машина, сидящая на валу турбокомпрессора. И работать она может в обе стороны: извлекать энергию из выхлопных газов и раскручивать турбокомпрессор для сокращения турболага. Причём, в отличие от MGU-K, величина потоков энергии (выработка в качестве генератора и работа как электромотора) правилами не ограничена. Это даёт инженерам мощный рычаг для управления балансом энергии в машине. Если учесть работу ДВС и MGU-K, в сумме энергия в болиде может перекачиваться по семи направлениям.

Типовой круг в представлении Renault и типовые способы взаимодействия систем. При торможении блок MGU-K перекачивает энергию от колёс в аккумуляторную батарею. Кстати, вес её лимитирован снизу и сверху (от 20 до 25 кг), так что создателям установок потребовалось нечто очень мощное, развивающее порядка 6 кВт на каждый килограмм веса. Судя по всему, здесь будут стоять суперконденсаторы. Следующая фаза — выход из зоны торможения. Тут батарея отдаёт энергию блоку MGU-H, который быстро выводит турбокомпрессор на предельные обороты (100 тысяч об/мин). Далее — ситуация обгона. Здесь и батарея, и MGU-H поставляют ток для MGU-K, который развивает пиковую мощность, ускоряя болид. Наконец, при обычном ускорении запас в батарее не меняется, но происходит передача энергии от MGU-H к MGU-K.

В этой презентации силовая установка Ferrari 059/3 предстаёт только в виде анимации, но можно убедиться, что она в общих чертах повторяет агрегаты Мерседеса и Рено. В том числе и в части двойной рекуперации. Инженеры Ferrari тут выступают вместе со специалистами Shell. Они не раз повторяют: новые двигатели не только должны приблизиться к гражданским по аппетиту, но и по надёжности, и по долговечности. Хоть на шаг. Ведь по новому регламенту одному гонщику за сезон будет разрешено использовать лишь пять моторов вместо восьми ранее.

Вспомним, что обычный «керс» вводился под соусом помощи мира Формулы-1 массовой автомобильной индустрии в деле сохранения окружающей среды. Мол, в Королеве автоспорта будут проверяться идеи и технологии, которые далее могут в том или ином виде найти свой путь к обычным автомобилям. Новый регламент — заметный шаг в этом направлении. Болиды в 2014 году просто вынуждены стать экономичнее, а ключ к экономичности — хитроумная гибридная система. Вполне вероятно, что мы скоро увидим что-то похожее на серийных автомобилях. Собственно, это уже происходит. Вспомним опыты Audi c электрическим приводом компрессора. От него недалеко до утилизации энергии выхлопа (такие турбогенераторы тоже предлагались в разное время, но развития не получили) и объединения подобных устройств в единый комплекс.

Общие сведения о рекуперативном торможении

Принцип рекуперативного торможения. Рекуперативное торможение базируется на принципе обратимости электрических машин, согласно которому любая электрическая машина может работать как генератором, так и электродвигателем, т.е. переходить из генераторного режима в двигательный и наоборот.

В тяговом режиме (рис. 8.1, а) тяговый электродвигатель подключен к контактной сети, потребляет из нее электрическую энергию и преобразовывает ее в механическую. По обмоткам электродвигателя протекает ток I , направление его показано стрелками. Ток обмотки якоря создает магнитный поток Ф, при взаимодействии которого с магнитным полем главных полюсов возникают электромагнитные силы Е Направление их определяется по правилу левой руки. Пара сил, действующих на проводники обмотки якоря под северным и южным полюсами, создает электромагнитный вращающий момент Мвр, заставляющий якорь вращаться против часовой стрелки с частотой п.

При переходе из тягового режима в режим выбега (рис. 8.1, б) тяговый электродвигатель линейными контакторами отключается от контактной сети. Прохождение тока по его обмоткам прекращается, и электромагнитные силы исчезают. Однако якорь под действием накопленной кинетической энергии поезда, которая при движении по спуску еще и возрастает, вращается в прежнем направлении с частотой п.

Для перевода тягового электродвигателя в генераторный режим собирается схема рекуперативного торможения. Обмотки главных полюсов отключаются от обмотки якоря и подключаются к независимому источнику питания, которым является генератор АМ-Г преобразователя, а обмотка якоря подключается к контактной сети (рис. 8.1, в). Проводники обмотки якоря вращаются в магнитном поле главных полюсов, и в них индуцируется э.д.с.

Рис. 8.1. Схемы, поясняющие образование тормозного момента при переходе тягового электродвигателя из тягового режима работы в генераторный: а — тяговый режим; б — режим выбега; в — генераторный режим

При уменьшении сопротивления резистора гр в цепи генератора АМ-Г увеличивается его э.д.с., возрастает ток, протекающий по обмоткам главных полюсов тягового электродвигателя, и его э.д.с.

Когда э.д.с. электродвигателя становится больше, чем напряжение контактной сети, от плюсового якорного зажима в контактную сеть начинает протекать ток, совпадающий по направлению с э.д.с. Это свидетель

ствует о том, что тяговый электродвигатель перешел в генераторный режим и ток является генераторным током, или током рекуперации 1р. Направление тока в обмотке якоря по сравнению с тяговым режимом изменилось на противоположное, что привело к изменению направления электромагнитных сил Г, действующих на проводники обмотки якоря, и электромагнитного момента, созданного этими силами. Он направлен по часовой стрелке, т.е. против направления вращения якоря, и поэтому является тормозным моментом Мт. Чем больше ток рекуперации, тем больше тормозной момент мт = См1рФ (здесь См — постоянная электрической машины), тем меньше частота вращения якоря и колесной пары.

Для обеспечения рекуперативного торможения должны быть выполнены следующие условия:

• так как тяговый электродвигатель последовательного возбуждения не может быть переведен в режим рекуперативного торможения, его необходимо перевести на независимое возбуждение. Для этого обмотки возбуждения всех тяговых электродвигателей подключаются к генератору преобразователя;

• направление тока в обмотках возбуждения тяговых электродвигателей должно оставаться таким же, как в режиме тяги;

• суммарная э.д.с. всех тяговых электродвигателей должна быть больше напряжения в контактной сети;

• электровоз должен работать в замкнутом контуре, т.е. между контактной сетью и рельсовой цепью должен быть включен потребитель: тяговая подстанция, принимающая электроэнергию, или электровоз, работающий в режиме тяги.

Простейшая схема рекуперативного торможения с противовозбуж-дением генератора преобразователя. Одним из условий обеспечения рекуперативного торможения является стабилизация тока рекуперации при колебаниях напряжения в контактной сети. Это условие выполняется в схеме рекуперации с иротивовозбуждением генератора преобразователя (рис. 8.2), имеющего на сердечниках главных полюсов катушки двух обмоток, магнитные потоки которых направлены встречно друг другу. Катушка обмотки независимого возбуждения (НОВ) создает основной магнитный поток полюса, катушка обмотки противовозбуждения (ОПВ) предназначена для стабилизации тока рекуперации.

Сбор схемы рекуперативного торможения. При включении кнопки “Возбудители” включается контактор КЗ и получает питание независимая обмотка (НОВ) главных полюсов двигателя АМ-Д преобразователя. Затем контактором К53 к контактной сети подключается его обмотка якоря вместе с обмоткой последовательного возбуждения (ПОВ). Двигатель АМ-М начинает вращать якорь генератора АМ-Г.

При сборе схемы торможения обмотка возбуждения ОВ тягового электродвигателя ТЭД отключается от обмотки якоря и подключается к якорю генератора АМ-Г преобразователя. Затем, после включения контактора К62, к цепям управления через резистор переменного сопротивления ЯЗІ подключается обмотка независимого возбуждения (НОВ) генератора

Рис. 8.2. Простейшая схема рекуперации с противовозбуждением генератора преобразователя

АМ-Г. На зажимах его якоря появляется э.д.с., по обмотке возбуждения ОВ тягового электродвигателя начинает протекать ток возбуждения 1в, и на зажимах якоря тягового электродвигателя также появляется э.д.с.

Подключение тягового электродвигателя к контактной сети и установление необходимого тока рекуперации. Подключение тягового электродвигателя к контактной сети должно произойти тогда, когда величина его э.д.с. превысит напряжение контактной сети икс на 80—100 В. Для увеличения э.д.с. тягового электродвигателя увеличивают э.д.с. генератора АМ-Г путем уменьшения сопротивления резистора Я31 при перемещении тормозной рукоятки контроллера машиниста. Уменьшение сопротивления резистора Я31 увеличивает ток в обмотке НОВ, а значит и создаваемый им магнитный поток, что приводит к росту э.д.с. генератора АМ-Г. Увеличение э.д.с. генератора вызывает рост тока возбуждения тягового электродвигателя, что, в свою очередь, приводит к увеличению магнитного потока обмотки ОВ, а значит и э. КС

[р я» ’

Чэд

где Я,. — сопротивление обмоток электродвигателя.

Для получения необходимого тока рекуперации и тормозного момента вновь уменьшают сопротивление резистора ЯЗЕ Етэд при этом возрастает (процесс рассмотрен выше), а следовательно, увеличиваются 1р (см. формулу) и Мт.

Стабилизация тока рекуперации при колебаниях напряжения в контактной сети. При изменении напряжения в контактной сети процесс стабилизации тока рекуперации протекает следующим образом: и ! —> 14- —> Ф 4- —>Ф Т —> I Т —> Ф Т —> Е Т->1 Т или и 4- —> I т —>Ф Т —> Фг4- —> 1ВХЭД4- —» Фхэд4- —> Етэд4- —> 1р4-, т.е. за счет действия обмотки ОПВ генератора АМ-Г ток рекуперации сохраняет свое первоначальное значение.

⇐Сигнализация о пониженном напряжении на тяговых электродвигателях | Электрические схемы электровозов ВЛ11 и ВЛ11М | 1-Включение преобразователей и реле моторного тока РТ37⇒

Способ извлечения редкоземельных элементов из магнитов электродвигателей

T МОТОРЫ HE , управляющие современными электромобилями, используют мощные магниты из редкоземельных металлов. Не все редкие земли на самом деле такие редкие. Неодима, например, почти столько же, сколько олова. Но хороших, работающих месторождений мало, и многие из них находятся в Китае, который в прошлом ввел экспортные квоты. Это, в сочетании с отсутствием заменителей, делает редкоземельные элементы достаточно дорогими, чтобы составлять более половины стоимости такого двигателя.Тем не менее, практически ничего не перерабатывается — недостаток, который распространяется также на двигатели жестких дисков компьютеров, аккумуляторные инструменты и бытовые приборы, а также на генераторы (по сути, электродвигатели в обратном направлении) в ветровых турбинах.

Послушайте эту историю

Ваш браузер не поддерживает элемент

Больше аудио и подкастов на iOS или Android.

Проблема, говорит Аллан Уолтон, возглавляющий группу магнитных материалов в Университете Бирмингема, Великобритания, заключается в том, что процесс измельчения и разделения, обычно применяемый к электронным отходам, затрудняет восстановление редкоземельных элементов.Магниты из редкоземельных металлов хрупкие и разбиваются на частицы, которые легко окисляются на воздухе. В результате получается остаток, который имеет небольшую коммерческую ценность, если вообще имеет ее.

Доктор Уолтон и его коллеги надеются изменить это, используя процесс, разработанный Рексом Харрисом, ныне заслуженным профессором Бирмингема, для переработки неодима, редкоземельного элемента, наиболее широко используемого в электродвигателях. В процессе доктора Харриса компоненты, содержащие магниты на основе неодима, предназначенные для повторного использования, опрокидываются в сосуд, который затем накачивается водородом.Реакция между водородом и неодимом заставляет материал магнитов расширяться, пока не расколется. В результате получается размагниченный порошок. После того, как содержимое сосуда было перевернуто и просеяно, а водород удален, экстрагированный порошок имеет достаточно хорошее качество, чтобы его можно было сразу же переработать в магниты.

Для переработки неодима таким способом доктор Уолтон и его команда основали фирму Hypromag. Они говорят, что для производства полученных магнитов требуется на 88% меньше энергии, чем для аналогов, произведенных с нуля.Чтобы помочь коммерциализировать процесс, Hypromag объединился с Bentley, британской дочерней компанией Volkswagen, известной своими роскошными автомобилями, которая в настоящее время разрабатывает ряд электрических моделей. Однако даже бензиновые Bentley содержат множество электродвигателей. Некоторые из них управляют функциями, которые обычно используются в других автомобилях, — гидроусилителем руля, стеклоподъемниками с автоподзаводом и несколькими громкоговорителями в аудиосистеме. Менее распространены в других марках моторы, которые балуют пассажиров, массируя спину через чехлы на сиденья.Однако все это в конечном итоге станет засыпкой доктора Уолтона.

Исправление (12 мая 2021 г.): исходная версия этой статьи ошибочно предполагала, что для производства магнитов Hypromag требуется на 15% меньше энергии, чем для аналогов, произведенных с нуля.

Версия этой статьи была опубликована в Интернете 11 мая 2021 г.

Эта статья появилась в разделе «Наука и технологии» печатного издания под заголовком «Удаление водородных связей»

Электродвигатель | Британника

Самый простой тип асинхронного двигателя показан на рисунке в разрезе.Трехфазный набор обмоток статора вставлен в пазы в железе статора. Эти обмотки могут быть подключены по схеме «звезда», обычно без внешнего подключения к нейтральной точке, или по схеме «треугольник». Ротор состоит из цилиндрического стального сердечника с проводниками, размещенными в пазах по всей поверхности. В наиболее обычной форме эти проводники ротора соединены вместе на каждом конце ротора токопроводящим концевым кольцом.

Принцип работы асинхронного двигателя может быть разработан, сначала предположив, что обмотки статора подключены к трехфазному источнику питания и что набор из трех синусоидальных токов, показанных на рисунке, протекает в обмотках статора.На этом рисунке показано влияние этих токов на создание магнитного поля через воздушный зазор машины в течение шести мгновений цикла. Для простоты показана только центральная токопроводящая петля для каждой фазной обмотки. В момент t 1 на чертеже ток в фазе a является максимальным положительным, тогда как ток в фазах b и c составляет половину отрицательного значения. Результатом является магнитное поле с приблизительно синусоидальным распределением вокруг воздушного зазора с максимальным значением наружу вверху и максимальным значением внутрь внизу.В момент времени t 2 на рисунке (т.е. одна шестая цикла позже), ток в фазе c является максимально отрицательным, в то время как в фазе b и фазе a составляет половину значения. положительный. Результат, как показано на рисунке для t 2 , снова представляет собой синусоидально распределенное магнитное поле, но повернутое на 60 ° против часовой стрелки. Исследование распределения тока для т 3 , т 4 , т 5 и т 6 показывает, что магнитное поле продолжает вращаться с течением времени.Поле совершает один оборот за один цикл токов статора. Таким образом, совокупный эффект трех равных синусоидальных токов, равномерно смещенных во времени и протекающих в трех обмотках статора, равномерно смещенных в угловом положении, должен создать вращающееся магнитное поле с постоянной величиной и механической угловой скоростью, которая зависит от частоты электроснабжение.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Вращательное движение магнитного поля относительно проводников ротора вызывает индуцирование в каждом из них напряжения, пропорционального величине и скорости поля относительно проводников.Поскольку проводники ротора закорочены вместе на каждом конце, в результате в этих проводниках будут протекать токи. В простейшем режиме работы эти токи будут примерно равны индуцированному напряжению, деленному на сопротивление проводника. На этом рисунке показана диаграмма токов ротора за момент времени t 1 рисунка. Видно, что токи приблизительно синусоидально распределены по периферии ротора и расположены так, чтобы создавать вращающий момент против часовой стрелки на роторе (т.е.е. крутящий момент в том же направлении, что и вращение поля). Этот крутящий момент ускоряет ротор и вращает механическую нагрузку. По мере увеличения скорости вращения ротора его скорость относительно скорости вращающегося поля уменьшается. Таким образом, индуцированное напряжение уменьшается, что приводит к пропорциональному снижению тока в проводнике ротора и крутящего момента. Скорость ротора достигает постоянного значения, когда крутящий момент, создаваемый токами ротора, равен крутящему моменту, необходимому на этой скорости для нагрузки, без избыточного крутящего момента, доступного для ускорения объединенной инерции нагрузки и двигателя.

Вращающееся поле и токи, которые оно создает в короткозамкнутых проводниках ротора.

Британская энциклопедия, Inc.

Механическая выходная мощность должна обеспечиваться входной электрической мощностью. Первоначальных токов статора, показанных на рисунке, достаточно для создания вращающегося магнитного поля. Чтобы поддерживать это вращающееся поле в присутствии токов ротора, показанных на рисунке, необходимо, чтобы обмотки статора несли дополнительную составляющую синусоидального тока такой величины и фазы, чтобы нейтрализовать влияние магнитного поля, которое в противном случае могло бы возникнуть. токами ротора на рисунке.Полный ток статора в каждой фазной обмотке складывается из синусоидальной составляющей, создающей магнитное поле, и другой синусоиды, опережающей первую на четверть цикла, или 90 °, для обеспечения необходимой электроэнергии. Вторая, или силовая, составляющая тока находится в фазе с напряжением, приложенным к статору, в то время как первая, или намагничивающая, составляющая отстает от приложенного напряжения на четверть цикла или 90 °. При номинальной нагрузке эта намагничивающая составляющая обычно находится в диапазоне 0.От 4 до 0,6 величины силовой составляющей.

Большинство трехфазных асинхронных двигателей работают с обмотками статора, подключенными непосредственно к трехфазному источнику питания постоянного напряжения и постоянной частоты. Типичные напряжения питания находятся в диапазоне от 230 вольт между фазами для двигателей относительно небольшой мощности (например, от 0,5 до 50 киловатт) до примерно 15 киловольт между фазами для двигателей большой мощности до примерно 10 мегаватт.

За исключением небольшого падения напряжения на сопротивлении обмотки статора, напряжение питания согласуется со скоростью изменения магнитного потока в статоре машины во времени.Таким образом, при питании с постоянной частотой и постоянным напряжением величина вращающегося магнитного поля остается постоянной, а крутящий момент примерно пропорционален силовой составляющей тока питания.

В асинхронном двигателе, показанном на предыдущих рисунках, магнитное поле вращается на один оборот за каждый цикл частоты питания. Для источника с частотой 60 Гц скорость поля составляет 60 оборотов в секунду или 3600 оборотов в минуту. Скорость ротора меньше скорости поля на величину, достаточную для того, чтобы индуцировать необходимое напряжение в проводниках ротора для создания тока ротора, необходимого для момента нагрузки.При полной нагрузке скорость обычно на 0,5–5 процентов ниже скорости поля (часто называемая синхронной скоростью), причем более высокий процент применяется к двигателям меньшего размера. Эта разница в скорости часто называется скольжением.

Другие синхронные скорости могут быть получены с источником постоянной частоты, построив машину с большим количеством пар магнитных полюсов, в отличие от двухполюсной конструкции, показанной на рисунке. Возможные значения скорости магнитного поля в оборотах в минуту: 120 f / p , где f — частота в герцах (циклов в секунду), а p — количество полюсов (которое должно быть четное число).Данный железный каркас может быть намотан для любого из нескольких возможных количеств пар полюсов с использованием катушек, охватывающих угол приблизительно (360/ p ) °. Крутящий момент, доступный от рамы машины, останется неизменным, поскольку он пропорционален произведению магнитного поля и допустимого тока катушки. Таким образом, номинальная мощность рамы, являющаяся произведением крутящего момента и скорости, будет примерно обратно пропорциональна количеству пар полюсов. Наиболее распространенные синхронные скорости для двигателей с частотой 60 Гц — 1800 и 1200 оборотов в минуту.

Трансмиссия: Чистая производительность

Это делает его уникальным в своем сегменте. Топовая версия Taycan Turbo S может генерировать до 560 кВт (761 л. мощность в сочетании с Launch Control и Taycan Turbo до 500 кВт (680 л.Taycan Turbo S разгоняется от 0 до 100 км / ч за 2,8 секунды, а Taycan Turbo — за 3,2 секунды (Taycan Turbo: потребление электроэнергии в сочетании 28,0 кВтч / 100 км; выбросы CO 2 в сочетании 0 г / км, Taycan Turbo S : Расход электроэнергии в смешанном цикле 28,5 кВтч / 100 км; выбросы CO 2 в смешанном цикле 0 г / км (все по состоянию на 08/2020)). Топовая модель достигает отметки 200 км / ч за 9,8 секунды, а Turbo — за 10,6 секунды. Запас хода Turbo S составляет до 412 километров, а у Turbo — до 450 километров (согласно WLTP).Максимальная скорость обеих полноприводных моделей — 260 км / ч.

Taycan запускается при включении режима движения при нажатой педали тормоза. В качестве альтернативы это также можно сделать, нажав кнопку. Как и в случае с замком зажигания на обычных моделях Porsche, кнопка включения расположена слева за рулевым колесом.

Электродвигатели: двигатели синхронные со шпильчатой ​​обмоткой

Taycan Turbo S и Taycan Turbo имеют два исключительно эффективных электродвигателя, один на передней оси и один на задней оси, что делает автомобили полноприводными.И диапазон, и постоянная мощность привода выигрывают от высокого КПД синхронных двигателей с постоянным возбуждением. Электромашина, трансмиссия и инвертор с импульсным управлением объединены в компактный приводной модуль. Модуль задней оси устанавливается параллельно оси. Инвертор с импульсным управлением монтируется на нем в «балконном решении» для увеличения объема багажного отделения. Благодаря коаксиальной конструкции модуль переднего моста интегрируется в переднюю часть автомобиля и занимает очень мало места.

Синхронные двигатели с постоянным возбуждением имеют ротор с высококачественными постоянными магнитами, которые создают естественное магнитное поле. Таким образом, ротор движется синхронно с магнитным вращающимся полем статора, поэтому он известен как синхронный двигатель с постоянным возбуждением. Инвертор с импульсным управлением задает частоту вращающегося поля в статоре, тем самым определяя скорость ротора. Благодаря своей конструкции, функциональности и отличным тепловым характеристикам синхронные двигатели с постоянным возбуждением способны обеспечивать высокие характеристики, типичные для Porsche.

Особенностью электродвигателей Taycan является шпилька обмотки. в котором соленоидные катушки статора состоят из прямоугольных, а не круглых проводов. Провода изогнуты, и их форма — до того, как они будут вставлены в многослойный сердечник статора — напоминает шпильки, отсюда и название «шпилька». Открытые концы свариваются с помощью лазерного луча. Технологический процесс изготовления шпилек сложен, но он позволяет упаковывать провода более плотно и, таким образом, увеличивает количество меди в статоре.Хотя в обычных процессах намотки коэффициент заполнения медью составляет около 45 процентов, в данном случае он составляет чуть менее 70 процентов. Это увеличивает выходную мощность и крутящий момент при том же объеме. Еще одно важное преимущество такого высокопроизводительного автомобиля, как Taycan, заключается в том, что статор шпильки может охлаждаться значительно более эффективно.

Синхронный двигатель с жидкостным охлаждением на передней оси имеет активную длину 160 миллиметров и активный диаметр 190 миллиметров. Его аналог на задней оси имеет длину 210 миллиметров и диаметр 245 миллиметров.В целом, модули имеют самую высокую удельную мощность (кВт на литр упаковочного пространства) среди всех электрических силовых агрегатов, представленных сегодня на рынке.

Инверторы с импульсным управлением управляют двигателями

Инвертор с импульсным управлением — самый важный компонент для управления электродвигателями. В Taycan Turbo и Turbo S инвертор с импульсным управлением установлен на каждом приводном модуле на передней и задней осях. Инверторы с импульсным управлением преобразуют постоянный ток, подаваемый Performance Battery Plus, в переменный ток, необходимый для привода электродвигателей.Во время торможения происходит обратное: здесь они преобразуют переменный ток, полученный во время рекуперации, в постоянный ток для зарядки аккумулятора. В Taycan Turbo S на передней оси используется импульсный инвертор с максимальным током 600 ампер, который может генерировать даже больше мощности и крутящего момента, чем 300-амперный импульсный инвертор Taycan Turbo. Оба инвертора с импульсным управлением работают с исключительно высоким КПД — почти 98%.

Трансмиссия: двухступенчатая коробка передач, уникальная для Porsche

На передней оси мощность электродвигателя передается на передние колеса через соосную компактную односкоростную планетарную передачу с общим передаточным числом прибл.8: 1 к интегрированному прямозубому облегченному дифференциалу.

Двухступенчатая коробка передач, установленная на задней оси Taycan, является инновацией, разработанной Porsche. Первая передача дает Taycan еще большее ускорение с места, а длинная вторая передача обеспечивает высокий КПД и запас мощности даже на очень высоких скоростях.

Двухступенчатая коробка передач базируется на трех валах. В дополнение к двум ступеням цилиндрической зубчатой ​​передачи, которые технически представляют передаточное число второй передачи, также используется переключаемый планетарный ряд, который обеспечивает соответствующее понижение для очень короткой первой передачи.Примерно 15 оборотов двигателя соответствуют одному обороту колеса. Это приводит к очень высокому крутящему моменту колеса почти 12000 Нм, что обеспечивает захватывающее дух ускорение с места.

Первая передача используется в основном в режимах движения Sport или Sport Plus. В этих режимах также доступен контроль запуска. Коробка передач остается на первой передаче в течение относительно долгого времени, затем переключается на вторую передачу с повышением скорости переключения.

Вторая передача имеет передаточное число около 8: 1, как и трансмиссия на передней оси.Таким образом, восемь оборотов электродвигателя представляют один оборот колеса. Это обеспечивает максимальную скорость 260 км / ч, типичную для спортивного автомобиля, и резерв ускорения на высоких скоростях (Taycan Turbo: комбинированное потребление электроэнергии 28,0 кВтч / 100 км; выбросы CO 2 в сочетании 0 г / км, Taycan Turbo S: Электричество смешанный расход 28,5 кВтч / 100 км; выбросы CO 2 смешанные 0 г / км (все по состоянию на 08/2020)). Задний мост имеет управляемую блокировку дифференциала.

Рекуперация: восстановление высокого уровня энергии

В транспортных средствах с двигателем внутреннего сгорания кинетическая энергия тормозов преобразуется в тепло во время замедления.С помощью электромобилей можно рекуперировать большую часть этой кинетической энергии, использовать электродвигатели в качестве генераторов во время замедления и питать аккумулятор генерируемой мощностью.

В Taycan компания Porsche применяет различные подходы в этих параметрах:

  • Максимальная потенциальная мощность рекуперации до 265 кВт значительно выше, чем у большинства конкурентов, замедления до 3,8 м / с. 2 рекуперация.

  • Когда педаль акселератора отпущена, Taycan всегда должен катиться или двигаться накатом как можно дальше; имеющаяся кинетическая энергия резервируется для движения по маршруту.

  • Рекуперация происходит только при нажатии педали тормоза, но тогда, как упоминалось выше, с очень высоким уровнем рекуперации энергии.

Благодаря стратегии управления рекуперацией в основном с помощью педали тормоза, заказчик получает воспроизводимое и предсказуемое замедление, которое не зависит от заряда аккумулятора и температуры.Испытания показали, что благодаря высокой выходной мощности рекуперации Taycan, составляющей до 265 кВт, примерно 90 процентов операций торможения при повседневном использовании выполняются только электродвигателями без активации колесных тормозов. По этой причине Porsche впервые устанавливает зависящий от времени интервал замены тормозных колодок: их необходимо менять каждые шесть лет.

Режимы вождения: неограниченный выбор дальнего следования или максимальной спортивности

Профиль режимов движения в новом Taycan, по сути, следует той же философии, что и в других модельных рядах Porsche.Это дополняется специальными настройками, позволяющими оптимально использовать возможности чисто электрического привода. Доступны четыре режима движения: Range, Normal, Sport и Sport Plus. Кроме того, отдельные системы могут быть настроены по мере необходимости в «Индивидуальном» режиме. Обязательным условием для режимов Sport Plus и Individual является пакет Sport Chrono (входит в стандартную комплектацию Turbo S), в котором переключатель режимов встроен в рулевое колесо.

Диапазон

Taycan особенно эффективно работает в режиме Range.Максимальная скорость ограничена от 90 до 140 км / ч (регулируется), но ее всегда можно изменить, нажав на педаль акселератора. Вождение в этом режиме означает движение с максимально эффективным распределением всех колес. В крайнем случае Taycan будет ездить даже исключительно на передней оси. Заслонки охлаждающего воздуха, высота шасси (-20 миллиметров) и задний спойлер настроены на минимальное сопротивление. Кондиционер, гидравлические насосы, пневмоподвеска и фары также работают в наиболее эффективных конфигурациях.

Обычный

В базовой настройке Taycan обеспечивает линейную выходную мощность. Все четыре колеса приводятся в движение в экономичном режиме. Заслонки охлаждающего воздуха открываются только при необходимости, задний спойлер регулируется в зависимости от скорости, а шасси при необходимости опускается. Климат-контроль и адаптивный круиз-контроль работают без ограничений, пневматическая подвеска обеспечивает полный комфорт.

Спорт

Наивысшие характеристики трансмиссии доступны в режимах Sport и Sport Plus.Запросы драйверов реализуются динамически. Полный привод переходит в распределение с задним смещением и управляется динамически. Стратегия охлаждения и нагрева батареи рассчитана на производительность. Заслонки охлаждающего воздуха регулируются термически в зависимости от требуемой холодопроизводительности, а регулировка заднего спойлера зависит от скорости. Климат-контроль регулируется без ограничений, адаптивный круиз-контроль более динамичный (в том числе более мощный разгон). Функциональность фонарей освещения поворотов стала более динамичной.Пневматическая подвеска опускает Taycan на 22 миллиметра в зависимости от скорости, а подвеска, включая управление задней осью, настроена на спортивный.

Спорт Плюс

«Спорт Плюс» придает еще более динамичный вид стилю водителя. В результате стратегия охлаждения и нагрева батареи была разработана для максимальной производительности. В то же время открываются заслонки охлаждающего воздуха, задний спойлер выдвигается для минимального подъема на ранней стадии, настройка шасси, включая рулевое управление задней осью и PDCC, оптимизирована для максимальной производительности на гоночной трассе, а шасси постоянно остается в нижнем положении. положение (-22 миллиметра).

Все системы трансмиссии управляются контроллером трансмиссии Porsche. Здесь собирается вся информация и управляются высокоскоростные приводы. Системы полного привода и контроля тяги работают в пять раз быстрее, чем обычные системы. Например, если у одного колеса проскальзывает больше, электродвигатели регулируют его с молниеносной скоростью, что особенно впечатляет на снегу и льду.

Ходовые качества: всегда убедительно

Электрический силовой агрегат способен быстро реагировать на ускорение.Однако Porsche также стремится к тому, чтобы это можно было делать несколько раз подряд. Таким образом, новый Taycan Turbo S способен без каких-либо проблем воспроизводить впечатляющее время разгона в 2,8 секунды для спринта с 0 до 100 км / ч 10 раз подряд (Taycan Turbo S: комбинированное потребление электроэнергии 28,5 кВтч / 100 км; CO 2 выбросов в смешанном цикле 0 г / км (по состоянию на 08/2020)). Это ускорение также впечатляет на высоких скоростях. Новый Taycan также многократно подряд доказывает свою работоспособность без какого-либо снижения производительности, например, при ускорении на выходе из поворотов на длинную прямую.

Launch Control: И полный вперед!

Launch Control обеспечивает максимальное ускорение с места и является стандартной функцией Taycan. Он использует функцию overboost, при которой электродвигатели получают большую мощность. На данный момент Taycan Turbo S обеспечивает выходную мощность 560 кВт (Taycan Turbo S: потребление электроэнергии в смешанном цикле 28,5 кВтч / 100 км; выбросы CO 2 в смешанном цикле 0 г / км (по состоянию на 08/2020)).

Дополнительное содержание

Спортивные автомобили, дизайн которых был переработан с учетом экологических требований.Первый полностью электрический спортивный автомобиль Taycan знаменует начало новой эры для Porsche, поскольку компания систематически расширяет ассортимент своей продукции в области электромобильности. Обзор.

УДАЛЕНИЕ НАВОДНЕНИЙ: ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ И ПРИБОРЫ

УЛУЧШЕНИЕ НАВОДНЕНИЙ: ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ И ПРИБОРЫ

СОДРУЖЕСТВО ПЕНСИЛЬВАНИИ _ ДЕПАРТАМЕНТ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ЗАЩИТА

УТИЛИЗАЦИЯ НАВОДНЕНИЙ: ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ И ПРИБОРЫ

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ

В вашем доме установлено немалое количество электродвигателей.Печь газовая или электрическая, стиральная машина, сушилка, кондиционер, посудомоечная машина, холодильник и морозильная камера оснащены электродвигателем. которые могут быть повреждены под воздействием паводковой воды. Как всегда безопасность должно быть вашим первым соображением.

ВНИМАНИЕ: не включайте отопление, охлаждение или другие электрические оборудование, которое контактировало с паводковой водой. Серьезный могут возникнуть повреждения и опасные для жизни травмы. Убедитесь, что все электрические оборудование отключено от сети или отключено питание у главного выключателя.

Любое электрическое оборудование с электродвигателем, которое было подвергнутые паводковой воде необходимо будет осмотреть и оценить индивидуально перед использованием соответствующими профессионалами.

Свяжитесь со своим страховым агентом, чтобы определить размер вашего страхового покрытия для ремонт вместо замены, особенно отопления и кондиционирования оборудование. Если возможно, также проверьте свою гарантию. Ущерб от наводнения на это оборудование гарантия не распространяется.Цель состоит в том, чтобы принять обоснованное решение о ремонте или замене лучший курс.

Успешный ремонт электродвигателя зависит от следующего соображения:

_ продолжительность нахождения двигателя под водой

_ возраст двигателя

_ тип используемых подшипников и способ их смазки;

_ тип загрязнителей в паводковой воде.

Ремонт, особенно отопительного и охлаждающего оборудования, имеющего подверглись воздействию паводковых вод, вероятно, будут обширными. Производители обычно рекомендуют, чтобы все двигатели, электрические компоненты, безопасность органы управления и (в случае газовых приборов) газовые клапаны должны быть заменены. Детальная и тщательная очистка и дезинфекция всех компонентов также рекомендуется.

Учитывая вероятные расходы на ремонт оборудования, замена может быть лучшим вариантом.Особенно учитывая возможность выбора нового оборудования, которое потребляет больше энергии эффективный.

ПРИБОРЫ

Оцените крупную бытовую технику по очереди и определите, разумнее их спасти или заменить. Во всех случаях есть Вот несколько общих рекомендаций, которым нужно следовать.

Печи

Оценка квалифицированным специалистом по бытовой технике поможет вам решить, лучше ли заменить или отремонтировать поврежденный печь.Для начала отсоединяем печку и снимаем заднюю крышку чтобы обнажить части изоляции. Позвольте изоляции тщательно просушите перед включением плиты.

Если элементы управления и реостаты намокли, замените их. В газовых плитах всегда следует заменять пилотные отверстия и система газового контроля при наличии воды. Внутренние поверхности необходимо очистить и продезинфицировать. Как только печь заработает, Рекомендуется длительный период «отжига».Высота рабочая температура плиты поможет исключить остаточные влага, которая может вызвать проблемы в дальнейшем.

Холодильники и морозильники

Если ваш холодильник или морозильник был погружен в воду, его следует заменить. Холодильники и морозильники содержат изоляцию это могло быть мокрым, если бы агрегаты находились под водой. Эта изоляция трудно добраться, не повредив корпус устройства. Он будет сохнуть очень медленно, потому что стенки шкафа остаются относительно остыть, пока прибор включен.

В некоторых холодильниках стоечные нагреватели, устраняющие конденсацию, вызывают дальнейшее беспокойство в пропитанных водой шкафах, потому что они представляют опасность поражения электрическим током. Медленное высыхание изоляции в холодильниках / морозильниках способствует образованию и росту бактерий, переносимых между стены шкафа от наводнения.

При замене холодильника помните, что только он может составлять до 15 процентов вашего энергетического бюджета.Типичный новый холодильник с автоматическим размораживанием и верхним креплением. морозильная камера потребляет около 800 киловатт-часов (кВтч) в год; типичный Модель 20-летней давности потребляет около 2000 кВтч. Замена старого блока может сэкономить значительные суммы денег и энергии в течение многих лет, чтобы прийти.

Если паводковая вода покрыла всего несколько дюймов вашего пола, это вероятно, что изоляция холодильника / морозильника высохла, и вам останется только проверить холодильную систему по нижняя и задняя части устройства.Система герметична и если он был проколот во время наводнения, он должен быть в хорошем состоянии. Проверьте все электрические элементы управления, включая таймер размораживания, термостаты. и другие предохранительные блокировки и замените их, если повреждение водой.

Стирально-сушильные машины

Как и в случае с другими приборами, чистите, сушите и дезинфицируйте белье. машину и сушилку и обратитесь к электрику или технику по бытовой технике проверьте все электрические контакты и соединения.Замена Эти устройства управления таймером, вероятно, будут необходимы.

Если вы решились на замену, знайте, что большая часть энергии используется стиральными машинами, используется для нагрева воды. Искать машины, которые предлагают несколько вариантов температуры воды для обоих циклы стирки и полоскания. Загрузка белья, выстиранного и ополаскиваемого в горячая вода может стоить в 20 раз дороже, чем при использовании холодной вода для обоих циклов. Также ищите машины, которые позволяют выбрать разные уровни воды.

Если вы решите заменить сушилку, вы обнаружите, что более новые модели способны ощущать сухость и автоматически отключаться. В сравнении со старыми моделями, которые работают по таймеру, новая модель может Сэкономьте от 10 до 15 процентов на затратах на электроэнергию.

Посудомоечные машины

Очистите, высушите и продезинфицируйте посудомоечную машину и обратитесь к электрику. или технический специалист проверьте все электрические контакты и соединения.Вероятно, потребуется замена системы управления таймером.

Если вам нужно заменить посудомоечную машину, имейте в виду, что вроде стиральная машина, большая часть энергии, используемой посудомоечными машинами, идет для нагрева воды, поэтому агрегаты, использующие меньше воды, также потребляют меньше энергия. Многие посудомоечные машины обладают функциями энергосбережения, например: циклы сушки без нагрева и легкие циклы стирки, которые можно сэкономить воду и электроэнергию. Агрегаты, оборудованные вспомогательными нагревателями нагреет воду до более высокого уровня, необходимого для надлежащей очистки и дезинфицировать посуду (обычно 140 градусов по Фаренгейту).Эта особенность позволяет держать ваш водонагреватель на более низком уровне, таким образом сокращение расходов на отопление воды в домашних условиях. На каждые 10 градусов уменьшив температуру водонагревателя, вы сэкономите 3% 5 процентов.

Мелкая бытовая техника

Вам нужно будет отключить, очистить, высушить и продезинфицировать мелкую бытовую технику. включая микроволновые печи, телевизоры и т. д. внутри и снаружи. Исследовать внимательно их и определите, отремонтировать или заменить.В некоторых случаях просто высушите всю установку с особой тщательностью. на электрические части будет достаточно. Разрешить длительную сушку время до тестирования прибора.

Освещение

Если вам необходимо заменить освещение, подумайте о компактных люминесцентных лампах. Они дороже ламп накаливания (от 15 до 20 долларов каждая), но они служат намного дольше и потребляют гораздо меньше электроэнергии. В зависимости от того, как долго горит ваш свет каждый день, установка компактные флуоресцентные лампы могут сэкономить вам немало денег по сравнению с время.

Наконец, после стихийного бедствия, когда необходимо капитальное восстановление, опасайтесь оппортунистов, которые придут в ваш район, пытаясь извлекать выгоду из своего несчастья. Будьте осторожным потребителем.

_ Нанять лицензированных подрядчиков.

_ Всегда спрашивайте рекомендации от предыдущих клиентов или проверяйте с агентствами по защите прав потребителей.

_ Не подписывайте никаких контрактов, если у вас есть сомнения.

_ Не платите за работу заранее.

Этот информационный бюллетень и соответствующая экологическая информация доступны. в электронном виде через Интернет. Посетите веб-сайт DEP-DCNR по адресу http://www.dep.state.pa.us (выберите информацию по Environmental Тема / выберите Предотвращение загрязнения и помощь в соответствии).

По материалам публикации Министерства энергетики США «Восстановление Ваш затопленный дом: Руководство по обеспечению энергоэффективности »

Содружество Пенсильвании

Том Ридж, губернатор

Департамент охраны окружающей среды

Джеймс М.Сейф, секретарь

0200 -FS-DEP1951 2/96

Сотрудник с равными возможностями / позитивными действиями

Навигация по сайту

Наш бизнес | eLNG | Фрипорт СПГ

eLNG означает электрическое и экологичное

С момента создания проекта Freeport LNG по сжижению газа и экспорту СПГ основное внимание уделялось созданию безопасного, надежного и эффективного завода.Это означало понимание потенциального воздействия на окружающие сообщества и воздействия на окружающую среду. Охрана окружающей среды является нашим стандартом деятельности с момента начала строительства первоначального регазификационного терминала в 2005 году.

Сегодня проект Freeport LNG становится первым в мире заводом по производству сжиженного природного газа (eLNG) в Северной Америке. Использование технологии с электроприводом позволило нам соблюдать строгие местные стандарты выбросов и поддерживать наши амбициозные производственные и экспортные цели.eLNG также означает повышение эффективности завода и ожидаемую доступность.

Электродвигатели — революционное решение

Выбранный нами электропривод не только сводит к минимуму выбросы в атмосферу; он также эффективен, надежен и прост в эксплуатации, а также обеспечивает более длительные интервалы технического обслуживания. Три двигателя General Electric мощностью 75 МВт приводят в действие компрессоры на пропане и смешанном хладагенте. Использование электродвигателей с частотно-регулируемыми приводами позволяет перезапускать все компрессоры даже при полной нагрузке без сброса давления или утечки хладагента в факел.

Существуют и другие конструктивные особенности, сводящие к минимуму воздействие на окружающую среду, которые были учтены при проектировании наших объектов по сжижению газа.

Рециклинг газа, не отвечающего техническим условиям

Линии предварительной обработки удаляют примеси из подаваемого газа. К ним относятся вода, диоксид углерода и тяжелые углеводороды, которые могут замерзнуть в оборудовании для предварительной обработки или сжижения, а также сероводород и ртуть.

Во время пуска обычно сжигается большое количество газа, не соответствующего спецификации.Наши предприятия будут иметь возможность рециркулировать некондиционный газ в замкнутом контуре вместо того, чтобы сжигать его не только во время пуска, но и во время эксплуатации.

Удаление загрязнений

На установке предварительной обработки нежелательные загрязнители будут удалены из исходного газа перед сжижением. Они, в свою очередь, будут обрабатываться в регенеративном термическом окислителе от Eisenmann Corporation в сочетании со встроенным скруббером и двойным мокрым электрофильтром для достижения высокой эффективности удаления загрязнений.

Утилизация пропана и хладагента

Перед плановым обслуживанием компрессоров и другого оборудования пропан и смешанный хладагент должны быть удалены из системы. В то время как на некоторых предприятиях пропан возвращается в хранилище, на большинстве все сжигается. Наша система рекуперации предназначена для впрыска пропана и смешанного хладагента в СПГ и отправки смешанной жидкости в резервуары для хранения. Это значительно снижает выбросы от сжигания наземных факелов.

Трубопровод с вакуумной рубашкой

Линии, по которым СПГ поступает в резервуары для хранения и на погрузочные платформы, спроектированы как трубопровод с вакуумной рубашкой (система «труба в трубе» с вакуумом, обеспечивающим теплоизоляцию).Его характеристики в десять раз лучше, чем у обычных изоляционных труб, а внешняя оболочка сделана из нержавеющей стали 304, способной выдерживать контакт с СПГ и предотвращать выброс газа в атмосферу в случае выхода из строя внутренней трубы.

Утилизация первичного сухого газового затвора

Сухие уплотнения в холодильных компрессорах предотвращают миграцию технологического газа в атмосферу, но часть уплотняющего газа проходит через первичное уплотнение и обычно сгорает.Мы добавили систему восстановления уплотнения выпускного газа, которая будет направлять газ в систему BOG для сжатия и передачи на установку предварительной обработки для использования в качестве топливного газа.

Улучшение процедур сушки и охлаждения

Азот вместо природного газа будет использоваться для сушки оборудования до начала производства СПГ. В конструкцию были включены дополнительные положения, позволяющие проводить процесс предварительного охлаждения без сжигания углеводородов на факеле.

Модернизация ручных клапанов

Мы модернизировали тысячи ручных клапанов в системах с пропаном, смешанным хладагентом и этиленом до сильфонных клапанов с нулевой утечкой, которые предотвращают неконтролируемые выбросы.Предполагается, что это сократит выбросы на 6,7 тонны в год.

Рекуперация отпарного газа для топлива

Отходящий газ (BOG), образующийся на установке сжижения, сводится к минимуму, сжимается и транспортируется по 12-дюймовому трубопроводу на установку предварительной обработки. Он используется в качестве топливного газа для работы газотурбинного генератора с блоком утилизации отходящего тепла для подачи технологического тепла на все три линии предварительной обработки. Излишки BOG будут возвращаться на вход линий сжижения для переработки, поэтому во время операций по загрузке танкеров СПГ сжигание на факеле не требуется.

Помимо батарей: как работают электрические грузовики

Чтобы понять, что такое электрические полуприцепы, не нужно проверять каждую гайку, болт, провод и аккумуляторную батарею. Речь идет о том, чтобы взглянуть на общую картину: как основные компоненты грузовика работают вместе, чтобы обеспечить оптимальную эффективность, безопасность, долговечность и производительность. Это ключ к пониманию буквальной силы внутри — и пониманию того, насколько мощными и способными изменить мир могут быть эти машины.

ПОСЛЕ ЗАРЯДА

Начнем с общей картины.Вот обзор того, что происходит внутри Freightliner eCascadia, от включения до ускорения и торможения.

  1. Когда водитель частично поворачивает ключ, ионы и электроны высоковольтных батарей становятся доступными для питания грузовика.
  2. Как только водитель полностью поворачивает ключ (как если бы он «запускал» грузовик), высоковольтная система посылает энергию на трансмиссию.
  3. При нажатии ускоритель посылает программный сигнал на инвертор, переключатель, который быстро открывается и закрывается для преобразования сигнала постоянного тока (DC) в переменный ток (AC).
  4. Питание переменного тока питает электродвигатель и создает крутящий момент. Энергия вращения передается в электрическую трансмиссию, которая заставляет колеса поворачиваться, а транспортное средство ускоряется.
  5. В дополнение к стандартному торможению грузовик можно остановить с помощью рекуперации тормозов, также известной как рекуперативное торможение в пассажирских электромобилях. Это позволяет батареям заряжаться. Энергия передается от электродвигателей к инвертору и обратно к батареям.

Несмотря на значительные конструктивные различия между грузовиками с аккумуляторным питанием и дизельными автомобилями, впечатления от вождения остаются в основном такими же — только с меньшим уровнем шума, более плавным ускорением, большим крутящим моментом и множеством других преимуществ, которые мы рассмотрим ниже.

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ: МОЗГИ ЗА БРАУНОМ

Еще одно сходство между грузовиками с аккумуляторным питанием и дизельными установками заключается в их зависимости от программного обеспечения. Оба типа грузовиков используют программное обеспечение для координации всех внутренних компонентов и систем. Основное различие заключается просто в типах компонентов, которыми они управляют.

В eCascadia одной из центральных частей, связанных с программным обеспечением, является общий электрический контроллер трансмиссии (eCPC), также называемый контроллером трансмиссии.Допустим, вы нажимаете педаль акселератора примерно наполовину — или на 50%. Контроллер трансмиссии получает этот запрос на ускорение и немедленно проверяет другие компоненты, чтобы определить, является ли передача 50% крутящего момента электродвигателю безопасным и эффективным для системы.

  • Если все требования соблюдены, контроллер трансмиссии позволяет инвертору получать энергию от батареи и отправлять ее на электромоторы, чтобы удовлетворить потребность водителя в крутящем моменте 50%.
  • Если контроллер трансмиссии определяет, что выдача 50% крутящего момента не является идеальным (например, если грузовик неподвижен или движется медленно), он снизит крутящий момент до идеального уровня — например, 30%.

Конечно, контроллер трансмиссии не предназначен для произвольного ограничения мощности или крутящего момента. Он спроектирован для работы с широким спектром запчастей для грузовиков, чтобы разумно оптимизировать их, оставаясь при этом максимально эффективным.

ИНТЕГРАЦИЯ АККУМУЛЯТОРОВ: МОЩНАЯ (И УМНАЯ)

Когда дело доходит до аккумуляторов, многие водители могут просто подумать об аккумуляторе под капотом дизельного грузовика. Но в электрическом грузовике по всему транспортному средству установлено несколько аккумуляторов. Также есть два разных типа:

  • Высоковольтные батареи: Эти батареи позволяют электрическому грузовику работать.«В электрическом грузовике Freightliner высоковольтные батареи расположены между рельсами рамы и питают многие части транспортного средства. Например, эти батареи приводят в действие от одного до трех электродвигателей (в зависимости от конфигурации), а также электрический воздушный компрессор, который обеспечивает давление воздуха для пневматических тормозов и подвески грузовика.
  • Низковольтные батареи: Низковольтные батареи, обычно расположенные под капотом электрического грузовика, питают низковольтные компоненты, такие как элементы управления на приборной панели и различные интегрированные системы.

Система управления батареями: ключ к интеллектуальному питанию

Сами по себе батареи — просто огромные запасы энергии. Однако, когда им управляет правильное программное обеспечение, они невероятно умны. В eCascadia каждая батарея оптимизируется с помощью системы мониторинга батареи (BMS). BMS — это контроллер, который использует специализированное программное обеспечение для отслеживания того, что происходит внутри каждой батареи, и помогает им работать эффективно.

Управление температурным режимом: забота о батареях

BMS обращает внимание на заряд и температуру в каждой ячейке батареи, поэтому она может гарантировать безопасную и эффективную работу всех систем.Например, если одна батарея становится слишком горячей, BMS обращается к системе управления температурой грузовика, чтобы быстро снизить температуру батареи с помощью жидкостного охлаждения. В холодных условиях BMS может использовать ту же систему, чтобы поддерживать батареи в тепле и работать наилучшим образом.

Долговечность с меньшим количеством движущихся частей

Грузовики с батарейным питанием также имеют меньшее количество деталей, особенно движущихся частей, что может помочь свести к минимуму техническое обслуживание в долгосрочной перспективе. И дело не только в электромоторе.В eCascadia 2-ступенчатая коробка передач заменяет необходимость в более сложной 12-ступенчатой ​​трансмиссии, которую можно найти в дизельных грузовиках. Короче говоря, электрические грузовики Freightliner проектируются с учетом простоты и надежности.

РЕКУПЕРАЦИЯ ТОРМОЗА: ОТКЛЮЧЕНИЕ ЭНЕРГИИ — И НАЗАД

Для электрических грузовиков энергия — это улица с двусторонним движением. Мало того, что батареи и инвертор могут приводить в действие электродвигатель, который в конечном итоге приводит в движение электрическую ось и колеса. Вся система может работать в обратном направлении. Водитель может быстро запустить процесс, называемый рекуперацией тормозов.Рекуперация тормозов позволяет электромотору преобразовывать механическое движение обратно в электрический заряд, который может храниться в батареях. В мире, где важна эффективность, рекуперация тормозов — это не просто умно. Это будущее.

ПОСМОТРЕТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ FREIGHTLINER НА ДОРОГЕ

Вам предстоит еще многое узнать. Ознакомьтесь с нашими eM2 и eCascadia, чтобы увидеть, как технологии электрических грузовиков накапливают мили в реальном мире.

OPEneR — Оптимальное энергопотребление и восстановление на основе системной сети (апрель 2014 г.)

Проект OpEneR стартовал в мае 2011 года и продлится до конца июля 2014 года.Шесть партнеров с самого начала интенсивно сотрудничают для достижения целей OpEneR (см. Табл. 1).

Таблица 1 Партнеры OpEneR и их опыт

Партнер Опыт
Robert Bosch GmbH, Германия (координатор) Регенеративная безвакуумная тормозная система, системы объемного звучания (радар, видео), электронные машины, силовая электроника, электронная / электронная архитектура
Peugeot Citroën Automobiles SA, DRIA, Франция Спецификация электромобиля и его комплектация с подсистемами, такими как аккумуляторы, интеграция управления энергопотреблением
Robert Bosch Car Multimedia GmbH, Германия Навигационная система с 3D-картами и eHorizon, ecorouting, управление дальностью
AVL List GmbH, Австрия Полная среда моделирования (SiL, MiL, HiL)
CTAG — Centro Tecnológico de Automoción de Galicia, Испания Новый человеко-машинный интерфейс, межмашинная связь, межмашинная связь, проверка и валидация
FZI — Forschungszentrum Informatik, Германия Анализ требований и вариантов использования, эксплуатация и стратегии вождения, моделирование

ОБЪЕКТИВЫ OPENER

Основная цель проекта OpEneR — создать общую систему управления энергопотреблением для электромобилей (EV), которая объединяет бортовые и внешние информационные данные вместе для реализации оптимальных по энергии стратегий вождения (см.рис.1). Охват источников данных:

  • Трансмиссия (здесь два идентичных электродвигателя, по одному на ось)
  • Аккумуляторы и система управления аккумулятором
  • Система рекуперативного торможения
  • Спутниковая навигационная система, включая цифровые карты 3D и электронный горизонт
  • Системы измерения объемного звука и
  • Блоки связи между автомобилями и объектами инфраструктуры и автомобилями

Стратегии вождения позволяют значительно увеличить запас хода, обеспечивая при этом как информацию для водителя, так и инструкции для водителя.В целом стратегии разработаны таким образом, чтобы всегда гарантировать безопасное вождение.

Рис. 1: Краткое описание OPENER.

ОПЕНЕР ПРОТОТИПЫ

Чтобы провести реальное тестирование новых функций управления энергопотреблением, консорциум согласился создать два полностью электрических прототипа автомобиля, основанных на технологии Diesel Hybrid компании PSA. Задний мост по-прежнему имеет электрический привод, а дизельный двигатель внутреннего сгорания на передней оси был заменен вторым электродвигателем.На рис.2 показана CAD-модель, содержащая основные компоненты электрической трансмиссии, то есть четыре аккумуляторных блока LiFePO емкостью около 40 кВтч, два силовых электронных блока управления двигателем в задней части и два электродвигателя мощностью 50 кВт каждый.

Рис. 2 CAD-модель прототипов OpEneR.

Первый прототип OpEneR строился до февраля 2012 года, второй был доработан чуть позже. Обе машины сначала интенсивно использовались для испытаний на закрытых испытательных трассах.Например, на испытательном полигоне Bosch в Швеции PSA и Bosch совместно тестировали новые функции. На рис. 3 представлена ​​фотография опытных образцов, прошедших зимние испытания в марте 2013 года. С декабря 2013 года автомобили выпускаются для испытаний на дорогах общего пользования. В качестве заключительного мероприятия проекта в рамках третьего обзора проекта будет проведен демонстрационный день, охватывающий большинство новых функций управления энергопотреблением. Таким образом, все партнеры соберутся вместе в помещении CTAG в Виго, Испания, где расположен так называемый интеллектуальный коридор, оборудованный технологией «автомобиль-инфраструктура».

Рис. 3 Прототипы OpEneR во время зимних испытаний в марте 2013 г.

Система энергоменеджмента

Были разработаны новые функции, направленные на оптимальное энергопотребление транспортных средств OpEneR. Здесь мы показываем статус, представленный во время второго обзора проекта в июне 2013 года.

  • Расчет энергоэффективного маршрута
  • Распределение крутящего момента
  • 2-канальное кооперативное рекуперативное торможение
  • Помощник по выбегу
  • Энергоэффективный ACC
  • Ассистент ускорения
  • Энергоэффективное вспомогательное оборудование

Фиг.4 показана функциональная архитектура системы энергоменеджмента OpEneR.

Рис. 4 Архитектура системы энергоменеджмента.

Расчет энергоэффективного маршрута

В рамках проекта OpEneR был разработан специальный метод расчета маршрута для полных электромобилей. Методика расчета маршрута предназначена для расчета наиболее эффективного маршрута с учетом индивидуальных характеристик полноценных электромобилей.Для этого в процесс расчета маршрута встраивается модель энергопотребления с учетом специфики электропоезда и потенциала рекуперации транспортного средства (см. Рис. 5).

Рис. 5 Индивидуальная модель энергопотребления транспортного средства используется для расчета энергоэффективного маршрута.

Эффективность метода проверена в ходе тест-драйвов на дорогах общего пользования. На двадцати различных маршрутах экономия энергии в среднем составляет 30.Было выявлено, что 9% используют энергоэффективный маршрут по сравнению с быстрым маршрутом. Время в пути увеличивается на 14,3% только при использовании энергоэффективного маршрута OpEneR. На рис. 6 показаны результаты для одного примерного маршрута.

Рис. 6 Тест-драйв между Таммом и Рудерсбергом при типичных условиях движения.

Алгоритм разделения крутящего момента

Наличие двух электрических машин, расположенных на разных осях автомобилей OpEneR, позволяет разделить требуемый крутящий момент для повышения эффективности.Поскольку характеристики эффективности обеих машин известны, решается задача оптимизации, чтобы получить коэффициент распределения, оптимальный с точки зрения энергоэффективности. Как показано на рис. 7, для типичных сценариев вождения (циклы ARTEMIS) возможно снижение потерь в машине и инверторе до 23% по сравнению с обычным распределением 50:50, что приводит к увеличению диапазона на 4%.

Рис. 7 Улучшение оптимизированного распределения по сравнению с распределением 50:50.

2-канальное кооперативное рекуперативное торможение

По аналогии с оптимальным распределением энергии крутящего момента в случае ускорения, использование одного электродвигателя на каждую ось также позволяет переключать тормозной момент генератора между передней и задней осью.Основная цель здесь состоит в том, чтобы гарантировать устойчивость автомобиля, но также как можно дольше удерживать активную рекуперацию энергии и тем самым повысить энергоэффективность. Обычно устойчивость автомобиля может быть гарантирована при соблюдении установленного распределения тормозных сил, которое в OpEneR составляет около 70:30 по отношению к передней и задней оси. На рис. 8 показаны доли рекуперации и фрикционного торможения при различных уровнях замедления транспортного средства.

Рис. 8 Доли рекуперации и фрикционного торможения в замедлении автомобиля.

На рис. 9 показана конкретная конфигурация тормозной системы и трансмиссии, которые используются в прототипах OpEneR. Усиление тормозного усилия без вакуума осуществляется электромеханическим усилителем тормозов iBooster. Рекуперация энергии электродвигателями поддерживается системой рекуперативного торможения ESP ® hev II, которая передает запросы тормозного момента генератора на электродвигатели через блок управления автомобилем (VCU).

Фиг.9 Компоненты тормозной системы, разделенные на области срабатывания, питания, модуляции и фундамента, а также трансмиссию.

Помощник по выбегу

Дополнительное повышение энергоэффективности может быть достигнуто за счет учета обширных источников информации. Расширенное восприятие окружающей среды с помощью видео и радаров, картографических данных и связи с инфраструктурой и близлежащими транспортными средствами (C2X) позволяет планировать траектории с оптимизацией с точки зрения энергоэффективности. Ассистент движения накатом был разработан и интегрирован в транспортные средства, помогая водителю эффективно приближаться к ограничениям скорости или светофору, используя большую часть избыточной кинетической энергии.

Когда водитель принимает подсказки помощника по выбегу, вся кинетическая избыточная энергия используется для движения по инерции с отключенными механизмами. Однако, если водитель решит, что он не хочет двигаться по инерции на большое расстояние, он все равно может удерживать дроссель и отпускать педаль акселератора на более позднем этапе захода на посадку. В таком случае ассистент движения по инерции сочетает движение по инерции с фазой рекуперации, которая оптимизирована с точки зрения энергоэффективности.

На рис. 10 показаны результаты исследования водителей, в котором сравнивается потребление энергии одними и теми же водителями с помощником по выбегу и без него для двух типичных дорог.Видно, что в зависимости от маршрута возможно увеличение средней дальности до 21% при увеличении времени в пути всего на 4%.

Рис. 10 Относительная разница во времени и потреблении энергии между водителями, использующими Помощник по выбегу, и при вождении без руководства.

Энергоэффективный ACC

Современный адаптивный круиз-контроль (ACC) нельзя напрямую скопировать на гибридные или электромобили. В целом, возможности транспортных средств по рекуперации энергии следует рассматривать наиболее выгодным образом.В OpEneR проводились исследования для определения замедления эго-транспортного средства при приближении к более медленному транспортному средству впереди. Таким образом, цель состоит в том, чтобы определить стратегию, которая потребляет наименьшее количество энергии. Что касается потребности в энергии, лучшая стратегия — сначала замедлить с помощью электродвигателей, а затем приблизиться к другому транспортному средству в режиме движения накатом без использования энергии. Оптимальные стратегии замедления были рассчитаны с помощью динамического программирования по Беллманну. Замедление может быть оптимальным по энергии или оптимальным по времени 90–170 или любой их комбинацией.На рис. 11 показан фронт Парето, определяемый различными стратегиями приближения к более медленному движущемуся впереди автомобилю.

Рис. 11 Фронт Парето, определяемый различными стратегиями приближения к более медленному автомобилю, идущему впереди.

На рис. 12 показаны результаты моделирования энергопотребления с помощью последовательного ACC в сравнении с различными стратегиями замедления. Потенциал экономии энергии составляет от 5% до 25% в зависимости от варианта использования, например, определяется дальностью предвидения.

Рис. 12 Результаты моделирования энергопотребления с помощью серии ACC в сравнении с различными стратегиями замедления.

Ассистент ускорения

По мотивам ассистента движения накатом поведение водителя существенно влияет на потребление энергии во время движения автомобиля. В автомобили OpEneR встроена активная педаль акселератора, которая дает обратную связь относительно текущего стиля вождения.Педаль активного ускорения может обеспечивать противодействие, управляемое помощником по ускорению энергоменеджера. Рассматриваемые аспекты помощника по ускорению изображены на рис. 13. Когда требуется высокий крутящий момент, потери энергии в инверторе увеличиваются и, следовательно, эффективность работающей трансмиссии снижается. Используемая противодействующая сила позволяет водителю почувствовать, когда дальнейшее ускорение значительно снижает энергоэффективность работы трансмиссии. Повышение КПД электрической машины до 5 процентных пунктов возможно для типичных фаз разгона, если водитель будет следовать данному совету.

Рис. 13 Концепция помощника по ускорению.

Энергоэффективное вспомогательное оборудование

Исследование энергопотребления вспомогательного оборудования показывает, что термическое кондиционирование пассажирского салона может уменьшить запас хода электромобиля до 50% в условиях центральноевропейского климата. Адаптивное управление вентиляцией и нагревательными элементами могло бы значительно снизить это воздействие. В рамках проекта OpEneR было исследовано соответствующее моделирование потребления вспомогательной энергии, чтобы обеспечить оптимальное управление компонентами системы, что приведет к снижению энергопотребления без значительного ущерба для комфорта.Аспекты, которые следует учитывать при моделировании энергопотребления системы отопления, вентиляции и кондиционирования (HVAC), в качестве примера приведены на рис. 14.

Рис. 14 Факторы, учитываемые при прогнозировании энергопотребления.

Численные результаты 2 и обзор проекта 6/2013

Таблица 2 Численные результаты для выбранных функций.

Среда моделирования и тестирование HiL

В новых алгоритмах энергосберегающих стратегий вождения необходимо учитывать различные различные подсистемы транспортных средств OpEneR, и это приводит к сложной системе управления энергопотреблением.Пошаговый подход через технологические уровни OpEneR и модульность всей системы помогают контролировать это, а также определять выгоду от различных систем и информации, добавляемой в энергоменеджер. Одним из важных способов решения проблемы сложности системы во время разработки новых функций или алгоритмов управления, гарантируя безопасность транспортного средства, является использование передовых методов моделирования на основе моделей. Однако их успешное применение требует разработки точной платформы моделирования, состоящей из реалистичных моделей транспортных средств и трансмиссии, трехмерных маршрутов движения и датчиков, контроллеров, исполнительных механизмов и моделей водителя.В проекте OpEneR используются методы совместного моделирования для объединения следующих инструментов моделирования (см. Рис. 15)

  • AVL Cruise, чтобы включить подробное описание топологии электрифицированной трансмиссии, подсистемы и интерфейсов управления.
  • IPG CarMaker, для моделирования трехмерной динамики транспортного средства, трехмерной дороги и сложных функций человека-водителя. Это позволяет виртуальному транспортному средству динамически взаимодействовать с объектами дорожного движения и окружающей средой.
  • Matlab / Simulink ® , чтобы включить новые модели подсистем от партнеров по проекту e.грамм. Bosch ESP ® hev, а также различные стратегии оперативного управления, например управление энергией.

Рис. 15 Среда моделирования, используемая в OpEneR.

Цепочка инструментов для бесшовного моделирования позволяет быстро переносить разработанные стратегии управления для использования на испытательных стендах и на тестовых трассах. Он поддерживает повторное использование офисных имитационных моделей и обеспечивает быструю миграцию тестовых примеров в процессе разработки с офисного ПК на HiL на испытательном стенде трансмиссии 4WD (см.рис.16) и дорожные испытания. На этих последующих этапах функции программного обеспечения могут быть откалиброваны и дополнительно проверены с использованием подходов SiL и / или HiL, которые тесно интегрированы с теми же инструментами совместного моделирования. Наконец, технология может быть интегрирована в прототипы транспортных средств, которые представляют собой воспроизводимую оценку трансмиссии или испытательных стендов транспортных средств, управляемых по существу схожими имитационными моделями, которые позволяют проводить параллельное тестирование альтернативных функций прогнозирования, что едва ли возможно в реальном мире, где условия движения меняются. в каждом тесте.

Рис. 16 Тестирование HiL на испытательном стенде трансмиссии 4WD.

Новый человеко-машинный интерфейс

Функции помощника, помогающие водителю управлять транспортным средством с низким энергопотреблением, требуют наличия подходящего человеко-машинного интерфейса (HMI). Этот HMI был определен с учетом системных требований OpEneR, включая программную и аппаратную реализацию (см. Рис. 17).

Рис. 17 Методология разработки HMI и окончательный дизайн HMI.

Проверка и подтверждение

Общая система энергоменеджмента проверена и утверждена. Ранние испытания проводились на полигонах PSA и RB. Тестирование HiL проводилось на четырехколесном динамометрическом стенде AVL. Существующие испытательные полигоны, расположенные на северо-западе Испании, были адаптированы к конкретным потребностям OpEneR. Они состоят из двух основных элементов: принадлежащих CTAG испытательных треков и интеллектуального коридора CTAG (открытая дорога), состоящего из доступных улучшенных цифровых карт и коммуникационной сети между автомобилем и автомобилем и инфраструктурой (см. Рис.18).

Рис. 18 Полигон и оборудование на территории партнеров OpEneR.

После определения методологии и плана тестирования будут проведены необходимые тесты для проверки системы OpEneR, чтобы разработать окончательное тестовое исследование с конечными пользователями. Это исследование направлено на достижение понимания таких вопросов, как понятность, управляемость и безопасность взаимодействия водителя и транспортного средства для наивных пользователей, а также принятие конечными пользователями (см.рис.19).

Рис. 19 Методы оценки в зависимости от уровня технологии OpEneR.

Собранные данные будут проанализированы и оценены по сравнению с результатами моделирования, что даст ценные результаты по технической, пользовательской оценке и оценке воздействия (окончательные результаты по окончании проекта в июле 2014 года).

Благодарности

Проект

OpEneR софинансируется 7-й рамочной программой ЕС.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *