ELEKTRICKÝ SKÚTR S ASYNCHRONNÍM MOTOREM
Dalibor Červinka, Pavel Vorel
Abstrakt:
Příspěvek je věnován konstrukci vět¨ího elektrického skútru s nízkonapěťovým asynchronním pohonem. Shrnuje základní dosahované elektrické a mechanické parametry. Skútr byl konstruován s vyu¸itím zku¨eností z předchozí konstrukce elektrického kola. Pozornost je věnována provedení mechanické konstrukce skútru - zvlá¨tě začlenění baterií, měniče, motoru a uspořádání převodových mechanismů. Dále je popsáno mechanické ovládání elektronických regulačních prvků pohonu tj. plynu a rekuperační brzdy. V příspěvku je ře¨ena otázka volby počtu pólů, typové velikosti a napěťově – kmitočtových poměrů pou¸itého asynchronního stroje. Pozornost je věnována elektrickým parametrům silového obvodu trojfázového střídače s tranzistory MOS-FET a také základním parametrům digitálních řídicích obvodů střídače. Ty realizují řízení momentu motoru při optimalizaci účinnosti systému střídač + motor v ¨irokém rozsahu otáček a momentu. Část příspěvku je věnována dosahovaným u¸ivatelským parametrům stroje a zku¨enostem s jeho provozem. Je nastíněno srovnání s přede¨lou konstrukcí elektrického kola. V závěru jsou rekapitulovány hlavní nedostatky dosavadní konstrukce a jsou popsány tendence dal¨ího vývoje.
Klíčová slova:
rám, odpru¸ení, tlumení, motor, převodovka, ozubený řemen, trakční akumulátory, střídač, sinusová pulsní ¨ířková modulace, mikroprocesor, čítač, účinnost, asynchronní stroj, rekuperace, br¸dění
1. Úvod
Moderní tranzistory MOS-FET s nízkým odporem v sepnutém stavu umo¸ňují konstruovat výkonové střídače pro synchronní a asynchronní nízkonapěťové regulované pohony vhodné k trakčním účelům. Tím jsou vytlačovány dosud dominující stejnosměrné pohony se svými klasickými problémy komutace (jiskření, ¸ivotnost kartáčů a ztráty třením komutátoru).
Hlavní výhodou asynchronního trakčního motoru oproti stejnosměrnému je absence ztrát třením komutátoru. Ty jsou toti¸ v případě motoru na malé napětí a velký proud značné díky velké nutné plo¨e a přítlačné síle kartáčů. Je pravda, ¸e účinnost moderního stejnosměrného stroje s permanentním buzením s magnety ze vzácných zemin je vy¨¨í ne¸ účinnost asynchronního motoru s podobným jmenovitým momentem. Toto v¨ak platí pouze při jmenovitém zatí¸ení motoru, kdy jsou ztráty třením komutátoru relativně nevýznamné, nikoli v¨ak při malých zatě¸ovacích momentech (jízda z kopce či po rovině
.
Cílem popisovaného projektu bylo zkonstruovat elektrický skútr pou¸itelný pro místní dopravu předev¨ím v městském provozu. Prvotní realizovanou variantou bylo elektrické kolo. Výkon pohonu kola byl volen tak, aby bylo mo¸no bez ¨lapání dosáhnout na rovině rychlosti cca 40km/h a stoupavosti cca 12%. Kapacita baterií umo¸ňuje průměrný dojezd cca 45km. Základem konstrukce bylo horské kolo bez odpru¸ení. Hmotnost pohonu (zejména baterií) je značná, co¸ způsobuje ¨patné jízdní vlastnosti stroje. Proto bylo přikročeno ke stavbě nové varianty s odpru¸eným skútrovým rámem. Srovnání parametrů obou strojů je uvedeno v kap. 8.
2. Základní popis skútru
Stroj je vestavěn do klasického skútrového rámu z ocelových trubek a je vybaven plastovou kapotá¸í. Ovládání stroje bylo vyře¨eno tak, aby se shodovalo s ovládáním bě¸ného benzínového skútru. Je tedy pou¸ita pouze jednorychlostní převodovka (tj. bez mo¸nosti řazení). Pohon se ovládá plynovou rukojetí. Odli¨ností je pouze přítomnost no¸ní rekuperační brzdy, která doplňuje konvenční brzdy ovládané páčkami na řídítkách. Celkový pohled na skútr je na obr. 1.
Zadní kolo je letmo upevněno na blok obsahující převody a asynchronní motor. V ose zadního kola je umístěna převodovka. Ta je spojena s motorem pomocí ozubeného řemenu. Celý blok je kyvně ulo¸en v rámu a odpru¸en jednou pru¸icí a tlumicí jednotkou. V prostoru za sedlem je umístěn třífázový střídač včetně ve¨keré řídicí elektroniky. Pou¸itý algoritmus řízení vy¸aduje informaci o aktuálních otáčkách motoru. V prostoru ventilátoru motoru je proto indukční snímač otáček.
Skútr je napájen z baterie 48V/40Ah. Ta je sestavena ze čtyř trakčních akumulátorů VARTA 12V/40Ah. Dva jsou umístěny pod sedlem, dal¨í dva pak na podlá¸ce mezi chodidly řidiče.
Obr. 1 Celkový pohled na skútr
Aby bylo mo¸no skútr vybavit bě¸nými spotřebiči na 12V (světla, blinkry, klakson aj.), je pro napájení palubní sítě a řídicí elektroniky měniče pou¸it spínaný zdroj 48V/12V. Ten je tvořen sni¸ujícím měničem s regulačními obvody. Je schopen dodávat proud cca 15A. Toto ře¨ení zamezuje nerovnoměrnému vybíjení baterií, ke kterému by docházelo v případě napojení palubní sítě přímo na jeden z akumulátorů 12V. Zdroj je umístěn vpředu, na přístupném místě pod přední kapotou, viz. obr. 2.
V tomto prostoru je také umístěno zařízení umo¸ňující ovládaní potenciometrů plynu
a rekuperační brzdy pomocí lanovodů od plynové rukojeti a no¸ního brzdového pedálu. Nastavením potenciometrů se řídí kmitočet pomocného oscilátoru. Na základě velikosti tohoto kmitočtu získává mikroprocesor v řídicích obvodech střídače informaci o po¸adovaném momentu včetně znaménka, tj. včetně informace, je-li po¸adován pohon či rekuperační br¸dění.
Obr. 2 Detail zdroje 48V/12V a mechaniky ovládání plynu
3. Elektromotor a jeho parametry
Pro pohon byl pou¸it klasický třífázový asynchronní motor s kotvou nakrátko. Volba počtu pólů plyne z následujících faktů:
* Velikost motoru závisí na jmenovitém momentu, nikoliv výkonu.
* Určitého výkonu lze při daném jmenovitém momentu dosáhnout změnou otáček, tj. změnou frekvence (při zachování sycení). Při mo¸nosti měnit kmitočet odpadá tedy zdánlivá výhoda vět¨ího výkonu stroje s men¨ím počtem pólů.
* Počet pólů nemá teoreticky vliv na poměr velikosti motoru ku jmenovitému momentu. V praxi s rostoucím počtem pólů moment poněkud roste (zvlá¨tě rozdíl mezi dvou- a čtyřpólovkou), a to díky lep¨ímu vyu¸ití magnetického obvodu statoru.
* Rostoucí počet pólů při daném stejném výkonu a momentu znamená růst kmitočtu při stejném sycení. To představuje nárůst ztrát v ¸eleze statoru.
Na základě uvedených skutečností byl pro daný účel vybrán jako optimální čtyřpólový stroj. V konstrukci byl pou¸it bě¸ný prodávaný síťový čtyřpólový stroj, jen¸ byl převinut. Kvůli nízké po¸adované hmotnosti byl pou¸it malý stroj s relativně malým maximálním momentem M = 5,2 N.m tj. s malým typovým výkonem P při činnosti se síťovým kmitočtem fs = 50 Hz. Ten činí pouze 750 W – při jmenovitých otáčkách nas = 1380 ot./min. Uvedené parametry platí pro zapojení do hvězdy tj. při amplitudě fázového napětí (napětí na cívce) Umax = 230 . Ö2 V = 325 V. Jmenovitá elektrická skluzová frekvence odpovídající fs a nas je 4Hz.
Zvý¨ení výkonu z původních 750 W na zvolenou novou velikost P’ = 1800 W bez jakéhokoli proudového přetí¸ení bylo dosa¸eno zvý¨ením jmenovitých otáček. Nově po¸adované jmenovité otáčky jsou:
(1)
Při zachování skluzového kmitočtu tomu odpovídá nový synchronní kmitočet
fs´ = 114Hz. Stejnosměrné napájecí napětí měniče (napětí meziobvodu) UD je 48 V, s uva¸ováním různých napěťových úbytků a poklesu napětí při vybíjení akumulátoru lze počítat s hodnotou cca 43V. Pou¸itím vhodné metody vytváření PWM je maximální dosa¸itelná amplituda 1. harmonické sdru¸eného napětí rovná UD. Při této nové amplitudě a novém jmenovitém synchronním kmitočtu je nyní maximum časového integrálu statorového napětí motoru k-krát men¨í, ne¸ při standardním provozu na síť. Při zamý¨leném zapojení do trojúhelníku bude k:
(2)
Proto bylo třeba zmen¨it rovně¸ 17-krát počet závitů statorových vinutí pro dosa¸ení stejného sycení (tj. i momentu) jako v původním motoru. K tomu potřebná amplituda magnetizačního proudu se přitom zvý¨í také 17-krát. Pro dosa¸ení tého¸ momentu bude rovně¸ nyní potřebná 17-krát vět¨í činná slo¸ka proudu. Celkově bude tedy potřebná 17-krát vět¨í amplituda proudu statorovým vinutím. Pro zachování stejné proudové hustoty ve vodičích bylo nutno pou¸ít vodič vinutí s 17-krát vět¨ím průřezem. Zaplnění drá¸ek (celkový průřez mědi vinutí) zůstalo stejné, neboť je 17-krát méně vodičů s 17-krát vět¨ím průřezem. Jsou tedy zachovány i stejné ohmické ztráty ve vinutí.
Původní stroj
Upravený stroj
Jmenovitý moment [N.m]
5,2
5,2
Jmenovitý skluz [Hz]
4
4
Jmenovitý výkon [W]
750
1800
Jmenovitý příkon [W]
1054
2350
Ohmické ztráty statoru [W]
159
159
Ohmické ztráty rotoru [W]
65
65
Ztráty v ¸eleze a ventilační [W]
80
325
Účinnost [%]
71
77
Sdru¸ený magnetiz. proud [A]
2,6
45
Tab. 1 Parametry původního a převinutého stroje
Tab. 1 udává srovnání teoreticky vypočtených parametrů původního a převinutého stroje pracujícího za uvedených změněných podmínek. Je nutné si uvědomit, ¸e uvedené změny parametrů nesouvisejí vůbec se sní¸ením napěťové hladiny, ale pouze se zvý¨ením jmenovitého synchronního kmitočtu při zachování velikosti sycení. Je zřejmé, ¸e tím do¨lo ke zvý¨ení ventilačních ztrát a hysterezních a vířivých ztrát ve statoru. Nicméně díky zvý¨ení výkonu tím celková účinnost stroje nebyla sní¸ena, spí¨e se mírně zlep¨ila (viz. tab. 1).
Zvlá¨tě důle¸ité je srovnání magnetizačního proudu, jen¸ je nyní 17-krát vy¨¨í, ne¸ v původním motoru tj. má amplitudu 45 A místo 2,6 A. Velký magnetizační proud asynchronního motoru na malé napětí je jeho hlavní nevýhodou v porovnání s motorem synchronním. Velký magnetizační proud způsobuje toti¸ výkonové ztráty v silovém obvodu měniče, co¸ kazí účinnost měniče a tím i celého pohonu jako soustavy měniče a motoru. (Samotný asynchronní stroj má sám o sobě poněkud ni¸¨í účinnost ne¸ synchronní, ov¨em nezávisle na velikosti napěťové hladiny tj. i nezávisle na velikosti magnetizačního proudu.)
Krátkodobé zvý¨ení momentu a¸ na 10,4Nm je dosa¸eno jednak mírným přesycením motoru a jednak zvý¨ením skluzu nad 4Hz. Tento přetí¸ený re¸imu je softwarově omezen na oblast otáček od nuly do cca 1700ot/min, tj. aby výkon nikdy nepřesahoval 1,8kW (z důvodu zamezení nadproudu z baterií). Motor je proti přehřátí v tomto re¸imu chráněn tepelným spínačem, jen¸ při překročení teploty vinutí 130°C zablokuje měnič.
4. Základní parametry silového obvodu měniče
* Třífázový střídač, tranzistory MOS-FET – v¸dy 2x IXFN180N20 paralelně. Paremetry paralelní dvojice: UDSS = 200 V, ID = 360 A (při teplotě pouzdra 20 °C), RDson asi 5 mW
* Napájecí napětí meziobvodu (4 trakční olověné akumulátory 12 V/40 Ah): 48V
* Maximální amplituda sdru¸eného proudu motoru (při momentu 10,4Nm ): 100A
* Nosný kmitočet PWM: 2144Hz
* Maximální ztráty vedením na polovodičích (při max. momentu): 80W
* Maximální přepínací ztráty na polovodičích (při max. momentu): 110W
* Vý¨ka napěťového překmitu při vypnutí tranzistoru (při 100 A): 30V
5. Regulační algoritmus
Pro řízení pohonu je pou¸it algoritmus řízení momentu stroje při zaji¨tění optimální účinnosti systému měnič + stroj v ¨irokém rozsahu momentu a otáček. V [1] bylo vysvětleno, ¸e optimalizace účinnosti h spočívá v nalezení dvou funkcí:
(3)
(4)
kde:
T – ¸ádaná hodnota momentu
nas – skutečná hodnota otáček
U – amplituda sdru¸eného napětí
s - skluz
Tyto funkce byly experimentálně získány měřením na konkrétním měniči a motoru.
Jednočipový mikropočítač stanovuje potřebnou hodnotu amplitudy a synchronního kmitočtu na základě po¸adovaného momentu (plynová rukojeť
a skutečných otáček (čidlo otáček) pomocí funkcí (1) a (2). Ty jsou navzorkovány v paměti. Pro zaji¨tění dostatečné přesnosti při úspoře prostoru paměti je pou¸ita lineární aproximace hodnot mezi vzorky. Snímač otáček pracuje jako čítač impulsů. Doba čítání se adaptivně mění. Během akcelerace nebo br¸dění je krátká, informace o otáčkách je rychle k dispozici za cenu men¨í přesnosti. Jestli¸e se akcelerace sni¸uje, doba čítání se prodlu¸uje, aby bylo dosa¸eno lep¨í přesnosti. Toto ře¨ení je kompromisem pro dosa¸ení vyhovující dynamiky pohonu a přesnosti čtení otáček.
Popsaný regulační systém nevy¸aduje ¸ádná proudová čidla. To je cenově výhodné vzhledem k velkým proudům vyskytujícím se v pohonu skútru.
Obr. 3 Střídač
6. Základní parametry řídicího systému
* ¸ádaný moment nastavitelný v 16 diskrétních úrovních
* mo¸nost rekuperačního br¸dění přepnutím polarity skluzu
* rozsah otáček motoru: 0 – 7320ot./min
* blokování měniče – tepelnou a přepěťovou ochranou i ručním ovládání
* unipolární sinusová PWM, algoritmus s max. modulačním činitelem Mmax = 1
* dynamika amplitudy napětí: 8bitů
* dynamika modulačního signálu: 5bitů
* dynamika PWM: redukována na 10bitů
Pohled na střídač bez krytu je na obr. 3.
7. Volba mechanických převodů
Vzhledem k malému jmenovitému momentu pou¸itého elektromotoru by bylo výhodné pou¸ití vícerychlostní převodovky kvůli dosa¸ení dobré stoupavosti a na druhé straně dostatečné rychlosti při jízdě po rovině či z kopce. Pro zjednodu¨ení mechanické konstrukce a pro zachování charakteru skútru bez řazení byla pou¸ita jednorychlostní převodovka. Vzhledem k tomu, ¸e elektrický pohon umo¸ňuje zatě¸ování jmenovitým momentem u¸ od nulových otáček, nevzniká při pou¸ití jednorychlostní převodovky problém s rozjezdem charakteristický pro spalovací motor.
Volba převodového poměru je kompromisem mezi dosa¸itelnou stoupavostí a maximální rychlostí stroje. Ze známé hmotnosti stroje s jezdcem (220kg), maximálního momentu motoru (10,4Nm) a po¸adované stoupavosti 11% byl vypočten celkový potřebný převodový poměr 7,3.
V náboji zadního kola je vestavěna převodovka s převodem 11. Ozubený řemen spojující motor s touto převodovkou proto musí mít převod 0,67.
Výhodou ozubeného řemenu oproti řetězu je men¨í hlučnost a bezúdr¸bový provoz. Je pou¸it moderní řemenový převod typu HTD fy. Walther & Flender zaji¨ťující uspokojivou účinnost i při chodu s malým zatě¸ovacím momentem.
Volba průměrů řemenic, modulu ozubení a ¨ířky řemenu byla provedena s ohledem na přená¨ené síly a maximální obvodovou rychlost řemenu. Návod na výpočet lze nalézt v [4].
Obr. 4. Detail převodu
8. U¸ivatelské parametry
skútr
kolo
výkon motoru
1,8kW
900W
hmotnost stroje
cca 140kg
cca 70kg
maximální rychlost
60km/h
45km/h
svahová dostupnost
11% při max. rychlosti 17km/h
12% při max. rychlosti 17km/h
akumulátory
4 x VARTA 12V 40/50Ah, trakční provedení
2 x VARTA 12V 40/50Ah, trakční provedení
dojezd
35km
45km
brzdy
1) přední kotoučová kapalinová
fy. BREMBO
2) zadní bubnová
3) rekuperační
1) V-brzdy
2) rekuperační
Tab. 2 U¸ivatelské parametry elektrického kola a skútru
9. Dal¨í vývoj
Popsané ře¨ení převodů není optimální. Z hlediska účinnosti je nevhodné kaskádní řazení převodu „do rychla“ a zpět „do pomala“. Toto ře¨ení bylo zvoleno jako prozatímní, aby se vyu¸ila existující převodovka zabudovaná v zadním kole. Měřením odběru z baterií při chodu naprázdno (zvednuté zadní kolo) bylo zji¨těno, ¸e v těchto převodech vzniká při plných otáčkách motoru ztrátový výkon cca 600W.
V dal¨ím vývoji bude převod ře¨en jako jediný řemenový převod s převodem 7,3 „do pomala“. Mělo by tím dojít k podstatné redukci zmíněných mechanických ztrát a ke znatelnému zlep¨ení dojezdu stroje.
Pro usnadnění praktického pou¸ívání skútru je nutné jej v budoucnu je¨tě vybavit síťovou „on-board“ rychlonabíječkou, která bude ře¨ena jako spínaný zdroj. Dal¨ím u¸itečným zařízením, na něm¸ se pracuje bude palubní počítač monitorující energetickou bilanci baterií. Na základě získávaných údajů bude mo¸no nejen předpovídat dojezd, ale i dlouhodobě sledovat stav baterií. Článek vznikl za podpory grantových projektů CEZ J22/98: 26 22 000 10 a GAČR 102/00/DO13.
10. Pou¸itá literatura
[1] Vorel, P.: A low voltage asynchronous drive. Proceedings of the conference PEMC 2000. Ko¨ice 2000. str. 7-120
[2] Vorel, P.: Elektromoped s asynchronním motorem. Sborník celostátní konference
o elektrických pohonech v Plzni. Plzeň 2001
[3] Vorel, P., Červinka, D.: Electric scooter with an induction motor. Proceedings of the conference EDPE 2001. Ko¨ice 2001
[4] Powergrip HTD-Zahnriemen-Antriebe, katalog fy. Walther&Flender GMBH 2000
