Сравнительный анализ тяговых электроприводов с перспективными вентильными двигателями

Современный уровень развития силовой полупроводниковой техники и достижения в технологии производства постоянных магнитов на базе редкоземельных элементов позволяют создать тяговые регулируемые электроприводы для электромобилей на базе электродвигателей как постоянного, так и переменного тока. В любом случае к электродвигателю электромобиля предъявляются следующие требования: простота изготовления, надёжность, удобство обслуживания, лёгкость регулирования, простота системы управления, высокий момент во всем диапазоне скоростей, пригодность для рекуперативного торможения, высокий к.п.д.

При сравнении различных вариантов тяговых электроприводов для электромобилей показатель их к.п.д., наряду с собственным весом, является одним из решающих факторов. Последние достижения во внедрении микропроцессорной техники в область электропривода позволяют значительно влиять на их к.п.д. Программированная логика управления является очень гибкой и хорошо схематически сопрягается с силовой частью привода. Это позволяет достигать оптимальных соотношений между моментом и скоростью при минимальном потреблении энергии от источника питания. Перечисленные выше достижения современной электромеханики нашли своё применение в последних образцах зарубежных и отечественных тяговых электроприводов электромобилей. Каждый тип электродвигателя в зависимости от задаваемых требований оказывается более рациональным относительно остальных вариантов.

Так, электродвигатели постоянного тока нашли широкое применение в регулируемых приводах благодаря таким достоинствам, как:

- простота и надёжность систем регулирования, их сравнительно невысокая стоимость;

- широкие возможности управления потоком возбуждения, что позволяет, используя малые мощности управления, изменить скорость движения в 3-4 раза;

- наличие серийного выпуска необходимых элементов электропривода.

Для электроприводов длительное время применялся почти исключительно тяговый электропривод с двигателем постоянного тока последовательного возбуждения (ДПВ). Причинами этого послужили некоторые важные достоинства данного типа электродвигателя, а именно:

- по естественной регулировочной характеристике ДПВ в наибольшей мере соответствует требованиям, предъявляемым к тяговым электродвигателям, обеспечивая получение максимальных моментов при ограниченном токе;

- надёжность ДПВ выше, чем у других типов двигателей постоянного тока;

- проще защита от аварийных режимов из-за меньшей значимости отказов типа «обрыв цепи возбуждения».

Совершенствование полупроводниковых регуляторов тока, предназначенных для питания обмоток возбуждения, привело к замене ДПВ электродвигателями с независимым возбуждением. Это позволило снизить потери в системе, улучшить управляемость, особенно за счёт эффективного торможения, расширить пределы регулирования скорости. Для управления двигателями независимого возбуждения по цепи якоря разработаны импульсные силовые преобразователи постоянного напряжения, в некоторых в качестве ключевых элементов использовались транзисторы. Такой силовой преобразователь позволяет обеспечить высококачественное управление тяговым двигателем при небольших потерях энергии в преобразователе и достаточно малой его массе.

Требуемые для электромобилей зависимости крутящего момента от скорости двигателя способны обеспечить как приводы постоянного, так и приводы переменного тока. Регулятор для управления двигателем постоянного тока значительно проще регулятора, управляющего двигателем переменного тока. Однако проблема обслуживания, связанная с применением двигателя постоянного тока, значительно сложнее, чем при использовании двигателей переменного тока. Наличие щёточно-коллекторной группы снижает ресурс надёжности этого типа двигателей. И в диапазоне мощностей, необходимых для системы привода электромобиля, двигатель постоянного тока оказывается больше и тяжелее двигателя переменного тока той же номинальной мощности. Поскольку логические схемы и регулятор двигателя переменного тока значительно сложнее, чем у двигателя постоянного тока, в целом ряде случаев система привода постоянного тока будет дешевле сравнимой по параметрам системы переменного тока.

Исходя из преимуществ привода переменного тока, когда электродвигатели асинхронный и синхронный оказываются более надёжными, легкими и долговечными, несмотря на сложную и дорогую систему их регулирования, использование их на электромобиле оказывается целесообразным.

Для сопоставления электроприводов электромобиля на базе коллекторных, асинхронных и вентильных электродвигателей на АО «Аэроэлектрик» была проведена разработка ряда вариантов вентильных электродвигателей и преобразователей. В результате проведённого анализа предлагаются варианты, обеспечивающие минимальные массогабаритные показатели при максимальном к.п.д. Предлагаются вентильные электродвигатели на базе редкоземельных магнитов ниодим-железо-бор с жидкостной системой охлаждения. В таблице 6.11 приведены основные параметры рассмотренных вариантов.

Таблица 6.11

Сравнительные параметры электродвигателей

Из таблицы видно, что электрический двигатель длительной мощностью 12 кВт и максимальной 25 кВт удаётся выполнить массой 13,6 кг при к.п.д. 0,94, а на длительную мощность 17 кВт и кратковременную 40 кВт массой 26,4 кг при к.п.д. 0,94.

Учитывая, что преобразователь вентильного двигателя работает на повышенной частоте порядка 10-20 кГц достаточного небольшого ёмкостного фильтра, чтобы усреднить ток, отдаваемый аккумуляторной батареей. Поэтому ток электродвигателя будет превышать средний ток аккумуляторной батареи пропорционально заданному диапазону регулирования при постоянной мощности. Так, для двигателя длительной мощности 12 кВт и 25кВт в перегрузке при токе 500 А средний ток аккумуляторной батареи составляет 220 А, вместо 250 А для коллекторного электродвигателя и асинхронного; при этом мощность последнего составляет не 25, а 20 кВт. Это объясняется тем, что вентильный электродвигатель имеет высокий к.п.д. в широком диапазоне мощностей.

В таблицах 6.12 и 6.13 приведены основные сравнительные характеристики электроприводов 3-х вариантов, на длительную мощность 12 и 17 кВт, соответственно.

Таблица 6.12

Сравнительные характеристики электроприводов на мощность 12 кВт

Таблица 6.13

Сравнительные характеристики электроприводов на мощность 17 кВт

Из приведённых таблиц видно, что электропривод на базе вентильного электродвигателя в 1,5-2 раза легче асинхронного и в 2,5 раза легче коллекторного при более высоком к.п.д. Однако в зависимости от требуемой мощности стоимость вентильного электропривода может оказаться в 2 раза выше относительно стоимости электропривода с коллекторным электродвигателем.

В таблице 6.14 приведены прогнозируемые стоимости трёх рассмотренных вариантов электроприводов.

Таблица 6.14

Прогнозируемые сравнительные стоимости электроприводов

Как видно из последней таблицы, при мощности 40 кВт стоимости вентильного и асинхронного приводов практически одинаковы из-за значительной стоимости силового преобразователя. Стоимость электропривода с коллекторным электродвигателем меньше более чем в 2 раза, однако значительно меньшая надёжность и ресурс этого типа электропривода делают его менее предпочтительным для применения в электромобилях.

В таблицах 6.15 и 6.16 даны параметры тяговых электродвигателей, применяемых на городском транспорте (табл. 6.15) и тяговые электродвигатели аккумуляторных подъемно-транспортных машин и электромобилей (табл. 6.16).

Таблица 6.15

Тяговые двигатели городского транспорта

Таблица 6.16

Тяговые двигатели аккумуляторных подъемно-транспортных машин и электромобилей по ГОСТ 12049-75

Однако, зарубежная практика подтверждает массовое использование на ЭМ синхронных машин на постоянных магнитах (Citroen-Zero, Mitsubishi i-MiEV, Nissan LeaF, Peugeot iOn и др.).