ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΣΗΣ ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ : ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ, ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΤΑΣΕΙΣ ΜΕΙΩΣΗΣ ΑΠΩΛΕΙΩΝ

Transcript

1 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΣΗΣ ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΥ ΚΙΝΗΤΗΡΑ : ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ, ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΤΑΣΕΙΣ ΜΕΙΩΣΗΣ ΑΠΩΛΕΙΩΝ Δ. Ράπτης, Α. Κλαδάς Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών και Ηλεκτρονικών Ισχύος Τομέας Ηλεκτρικής Ισχύος Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Ηρώων Πολυτεχνείου 9, Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου 1. Εισαγωγή Η εργασία αυτή μετά από μία παρουσίαση των κινητηρίων συστημάτων των ηλεκτρικών και υβριδικών οχημάτων επιχειρεί, την επισκόπηση των κυριότερων πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων που εμφανίζουν τα συστήματα ηλεκτρικής κίνησης που χρησιμοποιούν ασύγχρονο κινητήρα, την παρουσίαση των σύγχρονων τάσεων του ελέγχου τους καθώς και των προοπτικών υιοθέτησης μεθοδολογιών που εξασφαλίζουν μειωμένες απώλειες στην λειτουργία τους, ιδιαίτερα σημαντικών στις εφαρμογές ηλεκτροκίνητων μέσων. Εξετάζονται οι ατέλειες των συμβατικών μοντέλων ανάλυσης του κινητήρα στην περίπτωση των κινητήριων συστημάτων και διάφορες τεχνικές οι οποίες επιτρέπουν βελτιωμένη αναπαράσταση των φαινομένων των αρμονικών συχνοτήτων που εμπλέκονται στις περιπτώσεις τροφοδοσίας από μετατροπείς ηλεκτρονικών ισχύος [1], [2], [3]. Εκτός από την ανάλυση του προβλήματος των απωλειών πραγματοποιούνται προσομοιώσεις σε συγκεκριμένα κινητήρια συστήματα καθώς και πειραματικές επιβεβαιώσεις των αποτελεσμάτων. Έμφαση δίνεται στην ανάπτυξη μοντέλων που επιτρέπουν την καλύτερη εκτίμηση των απωλειών των συστημάτων ηλεκτρικής κίνησης και εξάγονται συμπεράσματα για τις σύγχρονες εξελίξεις και προοπτικές εφαρμογής τους σε ηλεκτρικά οχήματα.. 2. Διαμόρφωση συστημάτων κίνησης ηλεκτρικών υβριδικών οχημάτων Ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο αποτελείται από τα εξής σημαντικά υποσυστήματα (Σχήμα 1): το σύστημα ηλεκτρικής κίνησης, την πηγή ενέργειας και τα βοηθητικά συστήματα οδηγήσεως. Το σύστημα ηλεκτρικής κίνησης αποτελείται από το κύκλωμα ελέγχου, τον μετατροπέα, την ηλεκτρική μηχανή και το μηχανικό σύστημα μετάδοσης της κίνησης στους Ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς στην Ελλάδα Υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, ΤΕΕ, Αθήνα, Ιαν.,

2 τροχούς του αυτοκινήτου. Το σύστημα της πηγής ενέργειας αποτελείται από την πηγή ηλεκτρικής ενέργειας που τροφοδοτεί τον ηλεκτρικό κινητήρα, το σύστημα ανεφοδιασμού και το ηλεκτρονικό κύκλωμα ελέγχου αυτών. Τέλος, τα βοηθητικά υποσυστήματα θέρμανσης και οδήγησης τροφοδοτούνται από ξεχωριστή τροφοδοσία [5]. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των προαναφερομένων συστημάτων παρουσιάζεται στο Σχήμα 1. Σχήμα 1. Αναπαράσταση συστήματος κίνησης ηλεκτρικού αυτοκινήτου Ο σχεδιασμός των ηλεκτρικών αυτοκινήτων γίνεται ώστε να καλύπτονται βασικές προδιαγραφές π.χ. μεγάλη ροπή σε χαμηλές ταχύτητες, μεγάλη ισχύς σε υψηλές ταχύτητες, γρήγορη απόκριση ροπής, αξιοπιστία και ελάχιστη ανάγκη συντήρησης, χαμηλό κόστος παραγωγής. Η σύνθεση ενός υβριδικού οχήματος μπορεί να πάρει διάφορες μορφές με κάθε φορά διαφορετικό στόχο. Συγκεκριμένα, στο γραμμικό υβριδικό όχημα στόχος είναι ο βέλτιστος συνδυασμός της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας από τον κινητήρα εσωτερικής καύσεως και της μπαταρίας. Στο παράλληλο υβριδικό όχημα στόχος είναι ο συνδυασμός της μηχανικής ισχύος του ηλεκτρικού κινητήρα και του κινητήρα εσωτερικής καύσεως. Ακόμη, έχουν αναπτυχθεί διατάξεις που συνδυάζουν και τις δύο παραπάνω τεχνικές [5]. Οι δύο τρόποι συνδυασμού του ηλεκτρικού και θερμικού συστήματος κίνησης φαίνονται στο Σχήμα 2. Ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς στην Ελλάδα Υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, ΤΕΕ, Αθήνα, Ιαν.,

3 Σχήμα 2. Αναπαράσταση συστήματος κίνησης υβριδικού αυτοκινήτου Εξαιτίας της διαφορετικής δομής που μπορεί να πάρει το υβριδικό όχημα κάθε φορά είναι απαραίτητη η διαφορετική διαχείριση της ροής ενέργειας στα υποσυστήματα. Στόχος κάθε μορφής ελέγχου είναι η ελαχιστοποίηση των καυσαερίων και του οικονομικού κόστους και η μεγιστοποίηση της οικονομίας σε καύσιμο καθώς και η όσο το δυνατόν καλύτερη συμπεριφορά οδήγησης του αυτοκινήτου. Τα κυριότερα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν τα υβριδικά αυτοκίνητα είναι οι χαμηλές εκπομπές ρύπων, ο αυξημένος συντελεστής απόδοσης στην εκκίνηση του οχήματος και σε χαμηλές ταχύτητες, καθώς και η αξιοποίηση της ενέργειας πέδησης όταν εφαρμόζονται τεχνικές φόρτισης των μπαταριών κατά το φρενάρισμα του αυτοκινήτου. Τα σημαντικότερα μειονεκτήματα που παρουσιάζουν τα υβριδικά οχήματα είναι η πολυπλοκότητα που συνεπάγεται ο έλεγχος και η διαχείριση διαφορετικών πηγών ενέργειας, καθώς και το αυξημένο κόστος παραγωγής. 3. Συστήματα ηλεκτρικής κίνησης ασύγχρονου κινητήρα Αρχικά, τα περισσότερα κινητήρια συστήματα μεταβλητών στροφών χρησιμοποιούσαν κινητήρες συνεχούς ρεύματος. Αυτό συνέβαινε εξαιτίας του εύκολου ελέγχου και του χαμηλού κόστους των μετατροπέων που απαιτούνται. Όμως, με την τεχνολογική εξέλιξη των Ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς στην Ελλάδα Υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, ΤΕΕ, Αθήνα, Ιαν.,

4 ημιαγωγών ισχύος, αναπτύχθηκαν μετατροπείς κατάλληλοι για την οδήγηση των κινητήρων εναλλασσομένου ρεύματος, με αποτέλεσμα η λύση αυτή να επικρατεί στα συστήματα μεταβλητών στροφών, σε εφαρμογές συνεχώς αυξανόμενης ισχύος. Τα κυριότερα πλεονεκτήματα των κινητήρων επαγωγής, στα οποία οφείλεται η επικράτησή τους είναι το χαμηλότερο κόστος λόγω της απλότητας κατασκευής τους, η μειωμένη συντήρηση που απαιτούν, η απουσία προβλημάτων μεταγωγής και σπινθηρισμών, η δυνατότητα εύκολης αφαίρεσης του δρομέα κατά την διαδικασία συντήρησης, η δυνατότητα προσωρινής υπερφόρτισης του κινητήρα με φορτίο πολύ μεγαλύτερο του ονομαστικού, και η ανθεκτικότητα του στάτη σε σκόνη και υγρασία. Τα σύγχρονα συστήματα κίνησης κινητήρων επαγωγής που απαιτούν από τον κινητήρα λειτουργία σε χαμηλές ταχύτητες συχνά περιλαμβάνουν κιβώτιο ταχυτήτων. Εν τούτοις, εφαρμόζοντας κατάλληλες μεθόδους ελέγχου σε ορισμένες εφαρμογές, είναι δυνατόν να παραλειφθεί το κιβώτιο, με άμεση συνέπεια στην μείωση του κόστους κατασκευής και συντήρησης, και στην αύξηση της αξιοπιστίας και του συνολικού βαθμού απόδοσης [4]. Στα περισσότερα συστήματα οδήγησης κινητήρων επαγωγής η απαίτηση για τάση μεταβλητής συχνότητας και πλάτους ικανοποιείται με την εφαρμογή τεχνικών διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM). Η παραγόμενη από αυτές τις τεχνικές τάση περιέχει εκτός της επιθυμητής βασικής αρμονικής συνιστώσας και συνιστώσες στην περιοχή της διακοπτικής συχνότητας των ηλεκτρονικών μετατροπέων ισχύος. Οι ανώτερες αυτές συνιστώσες της τάσης μπορούν να περιοριστούν είτε με την χρήση κατάλληλων τεχνικών διαμορφώσεως, είτε με την χρήση φίλτρου, αυξάνοντας όμως το συνολικό κόστος παραγωγής. Στα σύγχρονα συστήματα ελέγχου κινητήρων εναλλασσόμενου ρεύματος αρχικά αναπτύχθηκαν τεχνικές βαθμωτού ελέγχου ταχύτητας (scalar control techniques), όπου στόχος είναι η εφαρμογή τάσης κατάλληλης συχνότητας και πλάτους συμβατών με την τελική επιθυμητή κατάσταση του κινητηρίου συστήματος. Στην συνέχεια αναπτύχθηκαν τεχνικές διανυσματικού ελέγχου (vector control techniques), οι οποίες επικράτησαν στη βιομηχανία, καθώς διαθέτουν καλύτερη δυναμική απόκριση, ελέγχοντας ανεξάρτητα την μαγνητική ροή και ηλεκτρική ροπή. Παράλληλα, έχουν αναπτυχθεί τεχνικές απευθείας ελέγχου της ροπής (Direct torque control techniques). Παρότι, σε μικρής κυρίως ισχύος εφαρμογές έχουν αναπτυχθεί συστήματα ηλεκτρικής κίνησης βασισμένα σε άλλο τύπο κινητήρα (π.χ. μονίμων μαγνητών και μεταβλητής μαγνητικής αντίστασης) με χαμηλότερες απώλειες, τα συστήματα ηλεκτρικής κίνησης ασύγχρονου κινητήρα επεκτείνονται στις βιομηχανικές εφαρμογές διαρκώς αυξανόμενης ισχύος. Ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς στην Ελλάδα Υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, ΤΕΕ, Αθήνα, Ιαν.,

5 4. Ο ρόλος των απωλειών Οι απώλειες σιδήρου κατά την διαδικασία προσομοίωσης της λειτουργίας ενός κινητήρα επαγωγής είναι αρκετά σημαντικές. Ειδικά σε εφαρμογές που η τροφοδοσία γίνεται από αντιστροφέα εμφανίζονται επιπλέον απώλειες λόγω της διακοπτικής συχνότητας. Επομένως, σε συστήματα ελέγχου κινητήρων μεταβλητών στροφών, όπου εφαρμόζεται τάση μεταβλητής συχνότητας και πλάτους είναι απαραίτητος ο ακριβής υπολογισμός των απωλειών σιδήρου. Αρχικά, στην βιομηχανία γινόταν χρήση συμβατικών κινητήρων και οι πρόσθετες απώλειες, λόγω της χρήσης μετατροπέα, αντιμετωπίζονταν υποβαθμίζοντας την ισχύ του κινητήρα κατά 15-20% τυπικά. Στις σύγχρονες κατασκευές πλέον λαμβάνεται ιδιαίτερη μέριμνα για την μείωση των απωλειών λόγω της χρήσης μετατροπέα, όπως η υιοθέτηση προηγμένων μαγνητικών υλικών χαμηλών απωλειών, η εξασφάλιση ανεξάρτητης ψύξης, η βελτίωση της μονώσεως των τυλιγμάτων, η ηλεκτρική μόνωση των εδράσεων ως προς τον άξονα. Το κλασσικό ισοδύναμο κύκλωμα ενός κινητήρα επαγωγής αποδίδει ικανοποιητικά αποτελέσματα για την θεμελιώδη συνιστώσα, υποεκτιμά όμως τις απώλειες που συνδέονται με την διακοπτική συχνότητα. Για την ανάλυση των δυναμικών και μεταβατικών καταστάσεων, η ανάπτυξη ενός τροποποιημένου ισοδυνάμου κυκλώματος, που λαμβάνει υπόψη την απόκριση του κινητήρα στις διακοπτικές συχνότητες επιτρέπει καλύτερη εκτίμηση της συνολικής απόδοσης. Στη συνέχεια παρουσιάζεται ένα τροποποιημένο μοντέλο προσομοίωσης ασύγχρονου κινητήρα, βασισμένο στον μετασχηματισμό του Park, το οποίο δίνει περισσότερο αξιόπιστα αποτελέσματα σε σχέση με το κλασσικό ισοδύναμο κύκλωμα στην περιοχή των διακοπτικών συχνοτήτων. Στο μοντέλο αυτό έχουν προστεθεί αντιστάσεις παράλληλα στις αυτεπαγωγές σκέδασης του στάτη και του δρομέα, προκειμένου να εκτιμηθούν οι απώλειες σιδήρου που οφείλονται στη διακοπτική συχνότητα [3]. Ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς στην Ελλάδα Υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, ΤΕΕ, Αθήνα, Ιαν.,

6 R ls R lr (w e -w r )Ψ qr w e Ψ qs + + V ds R s L ls L ls1 R m Lm L lr R r α R ls R lr + w e Ψ ds (w e -w r )Ψ dr + V qs R s L ls L ls1 R m L m L lr R r β Σχήμα 3. Τροποποιημένο ισοδύναμο κύκλωμα κινητήρα επαγωγής α: ισοδύναμο κύκλωμα ευθύ άξονα (d) b: ισοδύναμο κύκλωμα εγκάρσιου άξονα (q) Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης ενός ασύγχρονου κινητήρα ισχύος 31 kw με το απλό και το τροποποιημένο ισοδύναμο κύκλωμα και συγκρίνονται με μετρήσεις που έγιναν σε εργαστηριακή διάταξη. Ο κινητήρας τροφοδοτείται από μετατροπέα και λαμβάνονται μετρήσεις για το ρεύμα και την τάση που εφαρμόζεται στον κινητήρα στην περίπτωση κενού φορτίου. Στο σχήμα 4 συγκρίνονται οι χρονικές μεταβολές του ρεύματος που μετρήθηκε σε θεμελιώδη συχνότητα 50 Hz και διακοπτική συχνότητα 6 khz με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του κλασσικού και του τροποποιημένου ισοδυνάμου κυκλώματος. Στα σχήματα 5, 6 και 7 παρουσιάζονται τα φάσματα των ρευμάτων του σχήματος 4 και προκύπτει πως το κλασσικό μοντέλο υποεκτιμά κατά 50% περίπου τις ανώτερες αρμονικές του ρεύματος ενώ τροποποιημένο μοντέλο προσομοίωσης προσφέρει ικανοποιητική ακρίβεια. Ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς στην Ελλάδα Υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, ΤΕΕ, Αθήνα, Ιαν.,

7 Σχήμα 4. Κυματομορφές χρονικής μεταβολής ρεύματος στάτη κινητήρα α: Πείραμα β: κλασσικό μοντέλο γ: τροποποιημένο μοντέλο Ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς στην Ελλάδα Υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, ΤΕΕ, Αθήνα, Ιαν.,

8 Σχήμα 5. Φάσμα πειραματικού ρεύματος Σχήμα 6. Φάσμα προσομοιωμένου ρεύματος με το κλασσικό μοντέλο Σχήμα 7. Φάσμα προσομοιωμένου ρεύματος με το τροποποιημένο μοντέλο Ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς στην Ελλάδα Υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, ΤΕΕ, Αθήνα, Ιαν.,

9 5. Συμπεράσματα Παρότι υπάρχουν κινητήρια συστήματα με μεγαλύτερη απόδοση (π.χ. μηχανές μονίμων μαγνητών, μεταβλητής αντίστασης), τα συστήματα ηλεκτρικής κίνησης κινητήρων επαγωγής παραμένουν από τις επικρατέστερες επιλογές στην ηλεκτροκίνηση, λόγω της απλότητας, της αξιοπιστίας και του χαμηλού κόστους κατασκευής του κινητήρα αλλά και της βελτιωμένης δυναμικής συμπεριφοράς που επιτυγχάνεται με τους σύγχρονους αντιστροφείς. Η απόδοση κατά την δυναμική λειτουργία των συστημάτων αυτών σε τροφοδοσία αντιστροφέα αποτελεί αντικείμενο εκτεταμένης έρευνας και η βελτίωσή της αναμένεται να τα καθιερώσει σαν μία από τις επικρατέστερες επιλογές σε εφαρμογές ηλεκτρικών και υβριδικών οχημάτων. 6. Βιβλιογραφία [1] A. Boglietti, P. Ferraris, M. Lazzari, and F. Profumo, Iron losses in magnetic materials with six-step and PWM inverter supply, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 27, No. 6, Nov. 1991, pp [2] E. N. Hildebrand and H. Roehradz, Losses in Three-Phase Induction Machines Fed by PWM Inverter, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 16, No 3, Sept. 2001, pp [3] Z. Papazacharopoulos, K. Tatis, A. Kladas, S. Manias: "Dynamic Model for Harmonic Induction Motor Analysis Determined by Finite Elements, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 19, No 1, March 2004, pp [4] S. Evon, R. Schiferl, Direct-Drive induction Motors: using an induction motor as an alternative to a motor with reducer, IEEE Industry Applications Magazine, Vol. 11, No 4, Aug. 2005, pp [5] C.C. Chan, Y.S. Wong, Electric Vehicles Charge Forward, IEEE Power & Energy Magazine, Vol. 2, Dec Ηλεκτροκίνητα μέσα μεταφοράς στην Ελλάδα Υφιστάμενη κατάσταση και προοπτικές, ΤΕΕ, Αθήνα, Ιαν.,