Tema Hibride Balan [PDF]

Zitiervorschau

Sisteme de propulsie hibride

Tema de casa Transformare autovehicul conventional in autovehicul hibrid Motorul electric cu magneti permanenti

1

Sisteme de propulsie hibride

Student: Balan Alexandru-Mihai Grupa: 8405 Facultatea: Transporturi Profesor indrumator: Conf.dr.ing. Valerian Croitorescu

2

Sisteme de propulsie hibride

Cuprins

 Capitolul 1. Motor electric cu magneti permanenti (PMM)  Capitolul 2. Stabilirea criteriilor de selectie si alegerea modelului de motor cu magneti permanenti.  Capitolul 3. Calcul si dimensionare motor electric  Capitolul 4. Modelare geometrica si integrare a elementului ales pe automobile  Capitolul 5. Simulare in AMESim

3

Sisteme de propulsie hibride

CAPITOLUL 1 Motor electric cu magneti permanenti (PMM)

1.1 Alegerea a 5 modele similare

Nr. Crt.

Model

1

215YS 17F 300YS D15F 300YS D17F 300YS D20F 300YS C18F

2 3 4 5

Tensiunede antrenare [V] 380

Frecventa [hz]

Cuplu [Nm]

Turatie [rot/min]

Putere [kw]

Nr de poli

Masa [kg]

η [%]

113

325

2150

41

8

9,8

82,5

380

100

382

1950

38

8

10,0

78,5

380

113

354

2150

33

8

12,1

86,2

380

133

355

2450

44

8

10,9

70,8

380

120

310

2250

41

8

13.5

71,5

Tabel 1.Caracteristici de functionare

Seria de motoare inchise de uz general este destinata utilizarilor industriale, ca de exemplu: actionarea masinilor-unelte, pompelor, ventilatoarelor, compresoarelor, etc. Motoarele sunt destinate sa functioneze in urmatoarele conditii de mediu: - temperatura mediului ambiant – 33 grade C.........+ 40 grade C - umiditatea relativa a aerului max. 80% la 20 grade C - altitudinea maxima admisa a locului de montaj 1000 m Nr.crt 1 2 3 4 5

Model 215YS17F 300YSD15F 300YSD17F 300YSD20F 300YSC18F

L[mm] HD[mm] 396 205 452 222 468 211 449 249 479 234 Tabel 2. Dimensiuni 4

AB[mm] 180 165 200 192 180

D[mm] 24 19 28 26 20

Sisteme de propulsie hibride

Fig 1 . Schema motor electric

5

Sisteme de propulsie hibride 1.2 Alegerea a 5 modele similare de autovehicule conventionale nr crt 1

2

3

4

5

Tip autovehi cul

Parametrii energetici

Parametrii dimensionali

Prametrii constructivi

1

2

3

4

1

2

3

4

1

2

3

4

Parametrii masici 1 2

Chevrol et Aveo II 1.6 16 V Ford Focus III 2.0 TDCI Volksw agen Jetta VI 1.4 TSI

86kw/ 6000 rpm

155N m/400 0 rpm

7,5l /100k m

MAS

4399 mm

2525 mm

1498 mm

1495 mm

Sedan

1598 cm3

4 linie

Totul fata

1162 kg

1598 kg

112k w/ 4500 rpm

370N m /3250 rpm

4,0l/ 100 km

MAC turbo

4534

2648

1544

1559

Sedan

1997 cm3

4 linie

Totul fata

1442 kg

2050 kg

112 kw /6000 rpm

250N m /3500 rpm

4,2l/ 100 km

MAS

4569

2651

1535

1538

Sedan

1968 cm3

4 linie

Totul fata

1425 kg

1940 kg

Renault Symbol II 1.6 16 V Astra J Sport Sedan 1.4 Turbo

80kw/ 5750 rpm

148N m/375 0 rpm

6,7l/ 100 km

MAS

4261

2473

1406

1385

Sedan

1598 cm3

4 linie

Totul fata

980 kg

1505 kg

105 kw/ 6000 rpm

200 Nm/ 4900 rpm

6.2l/ 100km

MAS

4658

2684

1544

1566

Sedan

1364 Cm3

4 linie

Totul fata

1330 kg

1895 kg

Tabel 3. Modele de automobile cu motoare termice

Parametrii energetici 1-Putere/turatia de putere maxima [kw/rpm] 2-Cuplu/turatia de cuplu maxim [Nm/rpm] 3-Consum mixt de cb [l/100km] 4-Tip motor

6

Sisteme de propulsie hibride Parametrii dimensionali 1-lungime [mm] 2-ampatament [mm] 3-ecartament fata [mm] 4-ecartament spate [mm]

Parametrii constructivi 1-tip caroserie 2-cilindree [cm3] 3-Numar Cilindrii 4-Solutie constructive si amplasare motor

Parametrii masici 1-masa proprie [kg] 2-masa maxima autorizata [kg]

Parametrii functionali 1-Tip motor 2-Tip distributie 3-Amplasare motor 4-Sistem de injectie

7

Sisteme de propulsie hibride

1.3 Alegerea autovehiculului

Fig 2. Autoturism Volkswagen Jetta VI

Pentru tema mea , de transformare a unui autovehicul cu motor cu ardere interna intr-un autovehicul hybrid,am ales drept model de autovehicul Volkswagen Jetta VI

Motivele pentru care am ales acest autovehicul: 1. 2. 3. 4. 5.

Pret de achzitie scazut in comparatie cu celelalte autovehicule alese Consum mic de combustibil Raport pret/calitate foarte bun Dimensiuni de gabarit reduse Amplasare transversala a motorului ,in fata axei puntii fata

8

Sisteme de propulsie hibride

Volkswagen Jetta VI vine echipat cu un motor cu aprindere prin scanteie cu o capacitate cilindrica de 1395 cm3 cu sistem de injectie directa de benzina.Motorul dezvolta 112 Kw(150 hp) la 6000 rpm.Are o turbina de tip turbocompresor cu intercooler. Consumul mixt al acestui autovehicul este de 4,8 l /100 km iar capacitatea rezervorului este de 55 L,ceea ce duce la o autonomie de 1000 de km parcursi,ceea ce este ideal pentru a-l transforma intr-un autovehicul hybrid.Atunci cand bateria motorului electric se descarca putem parcurge lejer o distanta considerabila punand in functiune motorul cu ardere interna.

P[kw] 112

M[Nm] 250

np[rot/min] 6000

nm[rot/min] 3000

Vt[cm3] 112

Tabel 4. Caracteristici automobil Vw Jetta VI

P[kW]

M[Nm] 250

120 100

200

80 150 P M

60 100 40 50

20

0 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 7000

n[rpm]

Fig 3. Caracteristica de tractiune la sarcina totala automobile Vw Jetta VI

9

Sisteme de propulsie hibride 1.4 Motorul electric

Fig 4.Motor electric

Motorul electric este o masina capabila sa transforme energia electrica în energie mecanica. Motorul de inductie este cel mai utilizat pe scara larga ca tip de motor, deoarece combina toate avantajele oferite de energia electrica, cum ar fi cost scazut, usor de furnizat și distribuit, constructie simpla si o mare versatilitate de a fi adaptat la game largi de sarcini. Cele mai frecvente tipuri de motoare electrice sunt : motoare de curent continuu si de curent alternative. 1.Motorul electric de curent continuu (cu perii) este un motor electric cu comutatie interna care este alimentat de la o sursă de curent continuu. Reprezentare de principiu al motorului. 



Când înfășurarea rotorului este alimentată, în jurul lui se generează un câmp magnetic (poziție relativă a polilor magnetici, de la stânga spre dreapta: N-NS-S). Polul nord al rotorului e respins de polul nord al statorului spre dreapta și e atras de polul sud al statorului (din dreapta), producând un cuplu mecanic motor care întreține mișcarea de rotație. Rotorul continuă rotația. 10

Sisteme de propulsie hibride 

Când rotorul este (ajunge) în poziție orizontala (pozitie relativa a polilor N-SN-S), colectorul electric de comutare al sensului curentului continuu inverseaza sensul curentului prin infasurarea rotorului, inversand polii campului magnetic produs de rotor, se ajunge astfel la pozitia relativa a polilor magnetici "N-NS-S" .

2.Motorul electric de curent alternativ este un motor electric care funcționează alimentat cu energie direct de la surse electrice de curent alternativ Acest tip de motor poate fi construit în două variante funcționale: 1.motoare cu functionare in regim asincron(cel mai frecvent utilizate) 2.motoare cu functionare in regim sincron

1.5 Motorul electric cu magneti permanenti

Fig 5. Motor electric cu magneti permanenti

11

Sisteme de propulsie hibride Motoarele sincrone cu magneti permanenti au avantajul de a-si mentine viteza neschimbata,indiferent de perturbatiile tensiunii din retea,utilizandu-se in antrenarea grupurilor de masini ce alimenteaza mari calculatoare electronice.Au avantajul constructive al lipsei contactelor alunecatoare,a periilor si inelelor,ofera posibilitatea de a lucra fara scantei,utilizanduse frecvent in medii explozive,corozive,in industria petrolului si mineritului. Datorita facilitatii ridicate si a silentiozitatii reprezinta cea mai buna solutie in antrenarea ventilatoarelor instalatiilor de conditionare a aerului. Utilizarea magnetilor permanenti se bazeaza pe proprietatea unor metale sau aliaje de a prezenta un camp magnetic permanent , care poate fi mentinut practic constant pe perioade indelungate.Caracteristica de baza a magnetilor permanenti este curba de de magnetizare , care prezinta partea din cadrul II a ciclului de histerezis. Magnetizarea magnetului permanent se executa in circuitul magnetului in care urmeaza sa functioneze ,fie in afara circuitului propriu-zis , inglobarea lui in masina avand loc ulterior.Magnetizarea se realizeaza cu ajutorul unor infasurari carora li se aplica unul sau mai multe pulsuri de curent care sa asigure saturarea materialului.

1.6 Autovehicule hibride Vehicule electrice hibride (HEV) combina un motor cu ardere pe benzina cu un motor electric pentru a oferi o experiență de conducere cat mai ecologica. Masinile hibride sunt clasificate în funcție de tipul de tren de rulare sau sistemul de propulsie, care determină modul în care motorul și activitatea motorului alimenteaza masina impreuna. Hibrid paralel și hibrid serie reprezintă capetele opuse ale spectrului și există mai multe diferențe esențiale între aceste două tipuri de trenuri de rulare hibride. În timp ce hibrizii atât în paralel cat și in serie dispun de un motor pe benzina, un motor electric, o baterie reîncărcabilă, un invertor și o transmisie, ele sunt configurate în mod unic diferit. Potrivit Center Hybrid, motorul hibrid serie este mai mic decât un hibrid paralel, în timp ce motorul electric și bateria sunt mai mari. Hibrizii serie dispun de un generator separat, care este conectat la motor. Într-un hibrid paralel, motorul electric acționează ca un generator. Într-un hibrid serie, motorul pe benzină nu este cuplat direct la roți.

Propulsie hibrida paralela: Într-un hibrid paralel, atât motorul electric cat și lucrul mecanic al motorului cu ardere interna propulseaza automobilul. Potrivit Departamentului de Energie al SUA (DOE), motorul pe benzină și motorul electric sunt conectate la transmisie. Când combustibil călătorește la motor sau în cazul în care motorul electric este pornit, puterea care este generată propulseaza masina. Un controler în transmitere determină când să funcționeze motorul electric și când sa functioneze motorul pe benzina.

12

Sisteme de propulsie hibride Propulsie hibrida serie: Într-un hibrid de serie, motorul electric este singurul responsabil pentru transmiterea puterii la roțile vehiculului. Potrivit Center Hybrid, motorul electric este perceput de acumulatorul sau ca generator, care este alimentat de motorul pe benzina. Motorul pe benzină într-un hibrid de serie nu este cuplat la roti. Un controler determină cât de mult este nevoie de putere pentru a propulsa vehiculul.

Fig 6. Propulsie electrica hibrida Toyota Prius

Avantaje 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

produc mai puțin zgomot decât un motor cu ardere internă; răspund mai rapid la comenzi; pot recupera energia la decelerare; au o autonomie mai mare decât un vehicul electric; au mai multă finețe și ușurință în manipulare; se reîncarcă mai repede decât un vehicul electric; consumul de combustibil este ceva mai scăzut.

Dezavantaje 1. au o masă mai mare decât vehiculele convenționale similare: 2. au o fiabilitate mai mică; 3. au un preț mai ridicat.

13

Sisteme de propulsie hibride

CAPITOLUL 2 Stabilirea criteriilor de selectie si alegerea modelului de motor cu magneti permanenti.

2.1 Avantaje/dezavantaje

In alegerea celor mai potrivite motoare electrice pentru actionarea diverselor mecanisme industriale , utilaje agricole, aparate medicinale, aparate electrocasnice, etc.,se au in vedere,in principal,urmatoarele elemente: tensiunea,puterea si viteza la care vor trebui sa functioneze electromotoarele respective. In ceea ce priveste tensiunea, aceasta este deterninata de tensiunea retelei electrice de distrubutie sau a instalatiei electrice din cladirea sau incinta in care se monteaza electromotoarele,dupa caz. Stabilirea puterii electromotoarelor este de o importanta deosebita.Regula generala este ca fiecare electromotor sa aiba o putere egala sau cat mai apropiata de puterea necesara functionarii utilajului pe care il deserveste.Aceasta regula urmareste nu numai costul unui electromotor , de putere mai mare decat cea necesara, care nici el nu trebuie neglijat, cat mai ales asigurarea randamentului optim la care trebuie sa lucreze fiecare electromotor. Este stiut ca un electromotor supradimensionat functioneaza cu un randament scazut,ceea ce inseamna ca el consuma permanent, inutil, pentru nevoile proprii de functionare, o energie electrica activa si,mai ales, o energie electrica reactiva mai mare decat cea consumata de un electromotor mai mic (potrivit cu utilajul pe care acesta il actioneaza). Iata,deci, ca alegerea motoarelor electrice de putere corespunzatoare constituie si una din masurile de rationalizare a consumului de energie electrica.Pentru a putea stabili cat mai exact puterea si caracteristica mecanica (variatia vitezei de rotatie in functie de sarcina) ce trebuie sa le aiba un electromotor, este necesar sa cunoastem cat mai exact regimul de lucru al utilajului care va fi actionat. In ceea ce priveste viteza electromotorului, aceasta trebuie, de asemenea, stabilita cat mai correct, deoarece ea poate influenta cresterea productivitatii utilajului actionat , precum si dimensiunile si costul electromotorului (stiut fiind ca pentru viteze mai mici dimensiunile si costul electromotoarelor sunt mai mari). Alegerea motoarelor electrice se face tinandu-se seama si de tipul de constrictie al acestora, astfel incat ele sa corespunda conditiilor de lucru impuse de mediul in care vor trebui sa lucreze( protejare impotriva prafului, a umezelii, a gazelor, a acizilor,etc.).Astfel,exista electromotoare de tip deschis,de tip inchis,antigrizutoase,etc. Tinand seama de marea diversitate a mecanismelor si a utilajelor actionate de electromotoare,precum si de regimurile de lucru foarte diferite ale acestora,alegerea celui mai potrivit electromotor pentru fiecare din ele este destul de dificila si totusi foarte necesara.

14

Sisteme de propulsie hibride In continuare voi prezenta cateva criterii de care eu voi tine cont in proiectul meu atunci cand voi alege modelul de motor electric cu care voi echipa automobilul Volkswagen Jetta VI. Criterii: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Puterea Furnizata Tensiunea furnizata Tipul de combustibil folosit de motorul termic ce antreneaza motorul electric Carcasa ( caroseria ) motorului electric Regimul de lucru in care urmeaza sa functioneze Dimensiuni de gabarit reduse Masa maxima 10 kg

Am ales aceste criterii din considerente energetice si constructive.Automobilul ales are Ampatamentul de 2651 mm si Ecartamentul de 1535 mm.Motorul termic este dispus transversal in fata axei puntii .

1. Puterea Furnizata - Puterea generatorului de curent ce ne este necesar se determina in functie de puterea si tipul consumatorilor ce urmeaza a fi alimentati din generatorul de curent . - Este caracteristica tehnica cea mai importanta in dimensionarea corecta a unui generator de curent electric. Atentie ! Trebuie tinut cont de tipul consumatorilor nu doar de puterea lor. Cosnumatorii se impart in doua categorii : Consumatorii inductivi - sunt acei consumatori ce la pornire consuma mai mult decat in regim nominal de functionare, printre acestia amintim : motor electric, frigider, aer conditionat, pompa de apa, hidrofor, bormasina electrica, flex, neon, masina de spalat rufe, aparat de sudura …etc In cazul acestor consumatori , pentru dimensionarea corecta a unui generator de curent electric ,este necesar sa determinam curentul absorbit la pornire. Consumatorii rezistivi - sunt acei consumatori ce nu consuma mai mult in momentul pornirii decat in regim de functionare, printre acestia amintim: becuri cu filament, calorifere electrice, plite electrice, resouri electrice, televizoare, radio, cuptor electric.. etc In cazul acestor consumatori, pentru a determina puterea ,generatorului de curent este suficient sa insumam puterile lor. In functie de tipul consumatorilor trebuie tinut cont si de curentul absorbit la pornire, astfel, in cazul uni consumator inductiv ,curentul absorbit la pornire va fi de cateva ori mai mare decat curentul de functionare, in acest sens generatorul de curent va trebui astfel dimensionat incat sa poata acoperi curentul de pornire al respectivului consummator, in caz contrar generatorul de curent nu va furniza puterea necesara pornirii consumatorului. 15

Sisteme de propulsie hibride 2.Tensiunea furnizata

Generatoarele de curent , in functie de tensiunea furnizata , sunt de doua feluri: 

Generator de curent electric monofazat ( 230 Volti )



Generator de curent electric trifazat ( 400 Volti si 230 Volti )

In functie de tipul consumatorilor electrici ce trebuiesc alimentati ,se alege unul din cele doua tipuri de generatoare de curent electric ( monofazat sau trifazat )

3.Tipul de combustibil folosit de motorul termic ce antreneaza motorul electric Generatoarele de curent electric sunt actionate de motoare termice alimantate pe benzina sau motorina ( diesel ). In functie de situatie se poate opta pentru alegerea unui generator de curent pe benzina sau a unui generator de curent pe motorina ,fiecare din cele doua tipuri avand avantajele sale, alegerea facandu-se in functie de fiecare caz in parte. Printre avantajele generatorului de curent cu motor pe motorina: - Costuri de exploatare mai reduse in timp - Pornire in orice conditii ( desi se crede ca generatorul de curent pe benzina porneste mai bine in caz de temperaturi extreme este bine de stiut ca generatorul de curent cu motor diesel porneste mai usor decat cel pe benzina, cu conditia ca motorina sa fie de calitate si fara urme de apa ) - Posibilitatea automatizarii ulterioare daca generatorul este dotat cu sistem de pornire electrica. ( deoarece nu este nevoie de actionarea manuala a socului ca in cazul generatorului de curent cu motor pe benzina ) - Fiabilitate sporita ( se preteaza la un numar mai mare de ore de functionare )

4.Carcasa ( caroseria ) motorului electric Generatoarele de curent cu motor pe benzina nu au carcasa de insonorizare si nici protectie la intemperii ( nu pot sta in ploaie sau ninsoare fara o protectie ) Generatoarele de curent cu motor pe motorina se impart in doua categorii, unele sunt montate pe cadru de metal, fara carcasa ( sunt mai ieftine, mai usoare, in schimb au un nivel de zomot mai mare si nu au protectie la factorii de mediu) si generatoarele de curent electric dotate cu caracasa de insonorizare ( sunt mult mai silentioase, se preteaza uzului in zone rezidentiale, sunt protejate la intemperii si se pot monta afara ,chiar daca ploua pe ele, fara a mai fi necesara protejarea lor. )

16

Sisteme de propulsie hibride 5. Regimul de lucru in care urmeaza sa functioneze In functie de regimul de lucru al generatorului de curent putem opta pentru un generator de curent pe benzina , un generator de curent pe motorina cu motor la 3000 rotatii/min sau un generator de curent pe motorina cu motor la 1500 rotatii/min. Daca generatorul de curent urmeaza a fi lolosit pentru un regim de max. 8-10 ore/ zi se poate opta pentru un generator de curent cu motor pe benzina. Daca generatorul de curent urmeaza a fi folosit intr-un regim mai intensiv de lucru este indicat sa folosim un generator de curent cu motor pe motorina , motor ce functioneaza la 3000 rotatii/min sau 1500 rotatii/min daca regimul de functionare al generatorului de curent este unul greu ( lucreaza 16-24 ore/zi, continuu, ca sursa principala de energie ). Din aceste considerente am ales pentru automobilul Vw Jetta VI motorul electric cu magneti permanenti Model 215YS17F .

2.2 Caracteristici

Tensiunede Frecventa antrenare [hz] [V] 380 113

Cuplu [Nm]

Turatie [rot/min]

Putere [kw]

Nr de poli

Masa [kg]

η [%]

325

2150

41

8

9,8

82,5

Tabel 5.Caracteristici functionale motor 215YS17F

L[mm] 396

HD[mm] 205

AB[mm] 180

D[mm] 24

Tabel 6. Dimensiuni motor electric model 215YS17F

17

Sisteme de propulsie hibride

Fig. 7. Schema dimensiuni motor electric

Pe baza acestor informatii voi prezenta in continuare cateva avantaje si dezavantaje ale motorului electric cu magneti permanenti. Avantaje   

Putere,cuplu si turatie care se incadreaza in limitele impuse Dimensiuni de gabarit care permit montarea acestuia in locul ales Prim amplasarea acestuia langa motorul termic nu se pierde din confortul pasagerilor

Dezavantaje  

Randament relative scazut fata de celelalte tipuri de motoare alese Preţ de cost mai ridicat

18

Sisteme de propulsie hibride

Fig 8. Schema amplasare motor autovehicul conventional

2.3 Motor termic amplasat transversal in fata axei puntii fata Datorita dimensiunilor reduse ale motorului electric am ales amplasarea acestuia in partea stanga a motorului termic (partea soferului). Aceasta amplasare este benefica din punct de vedere al confortului pasagerilor..Un avantaj major este acela ca accesul la motorul electric este foarte usor.Un alt avantaj este apropierea motorului electric de cel termic.

Fig 9. Amplasarea motorului electric transversal fata 19

Sisteme de propulsie hibride

CAPITOLUL 3 Calcul si dimensionare motor electric

Fig. 10. Secţiune printr-un motor sincron cu magneti permanent

20

Sisteme de propulsie hibride

3.1 Date nominale: Tensiunede antrenare [V] 380

Frecventa [hz]

Cuplu [Nm]

Turatie [rot/min]

Putere [kw]

113

325

2150

41

Nr de poli 8

Tabel 7. Date nominale motor electric 

Puterea nominala Pn a motorului [61 kw]



Tensiunea nominala de alimentare [380 V]



Frecventa tensiunii de alimentare f1 [113 hz]



Turatia de sincronism n1 in rot/min [2150 rpm]



Numarul de faze m (uzual m = 3) [3 faze]

3.2 Date functionale si constructive: 

Tipul motorului: in scurtcircuit



Caracteristicile de functionare



Gradul de protectie



Conditii privind mediul, altitudinea, serviciul de functionare etc.

L[mm] 396

HD[mm] 205

AB[mm] 180

D[mm] 24

Tabel 8. Dimensiuni motor electric

21

Masa [kg]

η [%]

9,8

82,5

Sisteme de propulsie hibride 3.3 Elementele constructive si principiul de functionare al masinii sincrone La masina sincrona se disting doua parti constructive principale: statorul si rotorul. Statorul are aceleasi elemente componente ca si masina asincrona. În crestaturile practicate în miezul feromagnetic, realizat din tole de otel electrotehnic izolate este plasata înfasurarea de curent alternativ a indusului (trifazata în general). Rotorul se realizeaza în doua variante constructive: cu poli înecati si cu poli aparenti. Câmpul magnetic inductor al masinii este produs prin intermediul unei înfasurari de excitatie alimentata în curent continuu, dispusa pe rotor .

a)

b) Fig.11. Sectiune transversala prin masina sincrona: a - cu poli înecati (plini); b - cu poli aparenti.

3.4. Regimul de pornire Pornirea motorului sincron se face în doua etape: în prima etapa se mareste viteza masinii de la zero la o valoare Ω cât mai apropiata de cea sincrona, 1; în a doua etapa se realizeaza sincronizarea vitezei masinii cu frecventa retelei de alimentare, adica se mareste  la 1. Cea mai raspândita metoda de pornire este pornirea în asincron. Prima etapa se realizeaza prin pornirea masinii sincrone ca o masina asincrona, cu ajutorul coliviei montata în talpile polare. Pentru pornire, masina sincrona se conecteaza la reteaua de c.c. legata peste o rezistenta Rp. Pornirea se face ca la masina asincrona, adica direct, sau cu rezistoare ori bobine montate în circuitul statoric, fie cu un autotrasformator.

22

Sisteme de propulsie hibride Dupa ce viteza a ajuns aproape de cea sincrona (s  0,05), se deconecteaza rezistenta Rp si se leaga circuitul de excitatie la bornele sursei de c.c. (redresor comandat cu tiristoare).Pornirea masinii sincrone m1 se realizeaza cu bobinele k1, care se scurtcircuiteaza cu contactele c2 dupa ce m1 a fost adusa în sincronism cu reteaua prin alimentarea excitatiei în c.c. În prima etapa a pornirii, puntea trifazata u1 cu tiristoare este blocata, iar tiristorul p1 este aprins. Dupa atingerea vitezei maxime la functionarea în asincron se blocheaza tiristorul p1 si se comanda intrarea în functie a redresorului comandat u1, alimentat de la retea prin transformatorul m2. Puntea u1 permite si fortarea excitatiei prin marirea sarcinii aplicate.Din momentul conectarii excitatiei la sursa de c.c. pâna la atingerea vitezei sincrone, respectiv a functionarii stabilizate, are loc a doua etapa a procesului tranzitoriu de pornire. Intrarea în sincronism are loc au atât mai usor cu cât, în momentul stabilirii curentului continuu prin înfasurarea de excitatie, alunecarea s si cuplul MR sunt mai mici si valoarea unghiului intern  este mai apropiata de zero.

Fig.12.Schema de pornire a unei actionari electrice cu masina sincrona

3.5 .Caracteristici mecanice Masina sincrona este utilizata în prezent din ce în ce mai mult în actionarile de putere mare si cu viteze relativ reduse.Motorul sincron prezinta, comparativ cu alte masini, avantajul ca nu consuma putere reactiva - inductiva din retea, daca este excitat corespunzator si, daca este supraexcitat, poate deveni furnizor de putere reactiva în retea. Ca dezavantaje se pot aminti: - necesitatea curentului continuu pentru alimentarea excitatiei; 23

Sisteme de propulsie hibride - posibilitatile reduse de modificare a vitezei, limitate la comanda prin frecventa; - scheme de comanda complicate; - posibilitatea aparitiei pendularilor la variatia brusca a sarcinii, s.a. Caracteristica mecanica a masinii sincrone alimentata la frecventa constanta f1 este o dreapta paralela cu axa cuplului, viteza unghiulara în regim stabilizat fiind data de expresia :

Peste o anumita valoare MK a cuplului sarcinii, masina sincrona iese din sincronism si se opreste. În scopul aprecierii posibilitatii de încarcare a masinii sincrone, se foloseste caracteristica mecanica unghiulara, definita ca dependenta dintre cuplul M al masinii sincrone si unghiul intern  între tensiunea de alimentare U si t.e.m. Ue determinata de fluxul inductor al masinii . Cuplul masinii sincrone cu poli plini are expresia :

unde MK este valoarea maxima a cuplului, la  = 900 , având expresia:

, Xd = Xq = Xs La masina cu poli aparenti, ecuatia caracteristicii unghiulare apare sub forma :

24

Sisteme de propulsie hibride

Ω1 - viteza de sincronism; E0 - tensiunea electromotoare indusa de câmpul magnetic învârtitor inductor; U - tensiunea de faza statorica; Xd = ωLd - reactanta sincrona longitudinal ; Xq = ωLq - reactanta sincrona transversala.

Fig. 13. Caracteristicile unghiulare ale maşinii sincrone cu magneţi permanenţi. 25

Sisteme de propulsie hibride

După cum se observă, cuplul maxim şi zona de funcţionare stabilă se diminuează odată cu creşterea rezistenţei statorice. Se mai deduce faptul că, pentru rezistenţe statorice mici, cuplul maxim creşte odată cu Ef0 , adică se obţin performanţe bune dacă magneţii permanenţi posedă inducţii remanente cât mai mari. Motoarele cu magneţi permanenţi lucrează cu o capacitate de suprasar-cină de 1,5 - 2 , dacă unghiul |θ0| are valori de 300 - 400.

3.6. Regimul de frânare Frânarea se poate realiza prin : a) - contracurent b) - frânare cu recuperare c) - alimentarea statorului în c.c. d) - frânare dinamica sau reostatica Metoda a se face ca si în cazul masinii asincrone, dar nu se mai aplica în prezent, deoarece duce la socuri mari de curent, factor de putere scazut si complicatii în schema de comanda.Metoda b, în cazul alimentarii la frecventa constanta nu are aplicatii practice în actionari, deoarece nu se poate realiza decât la turatia sincrona.Metoda c, prin alimentarea statorului în curent continuu se face ca la masina asincrona, dar cuplul de frânare este mic si în plus este necesara sursa de curent continuu.Metoda aplicata în cazul actionarilor cu masini sincrone este metoda d, la care masina functioneaza în regim de generator fara recuperarea energiei. Frânarea reostatica se realizeaza prin deconectarea statorului masinii de la retea si cuplarea lui pe o rezistenta trifazata de frânare Rf, înfasurarea rotorica ramânând alimentata în curent continuu (fig.6).

Fig.14. Frânarea în câmp excitat de curent continuu 26

Sisteme de propulsie hibride

CAPITOLUL 4 Modelare geometrica si integrare a elementului ales pe automobil

Datorita dimensiunilor reduse ale motorului electric am ales amplasarea acestuia in partea stanga a motorului termic (partea soferului). Aceasta amplasare este benefica din punct de vedere al confortului pasagerilor..Un avantaj major este acela ca accesul la motorul electric este foarte usor.Un alt avantaj este apropierea motorului electric de cel termic.

Fig 15. Amplasare motor electric

27

Sisteme de propulsie hibride

Fig 16. Amplasare motor electric transversal pe axa puntii fata

Pentru automobilul ales,Volkswagen Jetta VI am ales constructia hibrida serie.

4.1 Arhitectura sistemului serie

MAI->Variator de Turatie->Motor electric->Reductor->Diferential->Roti | Sursa

28

Sisteme de propulsie hibride

Fig 17: Arhitectura hibrid serie

Fig 18. Componente sistem hibrid serie Toyota Prius

29

Sisteme de propulsie hibride Energia mecanica produsa de MAI este transformata in energie electrica de generator si este controlata de variatorul de turatie care transmite energia la motorul electric si acesta o transmite mecanic la roti. Variatorul de turatie are 3 functii : controleaza generatorul,sursa si motorul electric.   

Pornirea se realizeaza : S->VT->G->MAI . La pornire,generatorul are rol de demaror Demararea se realizeaza: MAI->G->VT->M->roti Franarea se realizeaza: Roti->M->VT->S . La franare,motorul devine generator.

4.2 Sistemul de franare Franarea se realizeaza cu un system de recuparare a energiei.Prin acest sistem se realizeaza si economie de combustibil.Pentru sistemele de frânare standard, energia care a fost generată prin utilizarea carburantului este pierdută. Spre deosebire de acestea, sistemul de frânare regenerativă recuperează energia cât mai mult posibil sub formă de putere electrică pentru autovehicul (recuperarea energiei de frânare). Acest proces utilizează alternatorul pentru a reduce viteza autovehiculului. Imediat ce solicitarea de frânare depăşeşte capacitatea alternatorului, intră în joc frânele standard pentru roţi. Sistemele de frânare regenerativă îndeplinesc aceleaşi cerinţe exigente privind siguranţa ca sistemele convenţionale.

Fig 19. Sistem de regenerare a energiei

30

Sisteme de propulsie hibride

CAPITOLUL 5 Simulare in AMESim

Fig. 20. Model al unui vehicul hibrid serie

31

Sisteme de propulsie hibride

Motorul termic

DRVICE01D este un submodel de motor cu ardere internă (ICE) cu pornire la rece sau la cald. Se calculează cuplul, emisiile (CO2, CO, HC, NOx, funingine) și consumul de combustibil, precum și debitul de gaz de eșapament și arderea pierderii termice. Emisiile de CO2 sunt estimate la consumul de carburant. Acest submodel motor fără inerție poate fi folosit cu orice tren de antrenare. Este util cu DRVVECU0A ECU submodel care gestionează diferitele moduri de reglare (inactiv, CV-ul de combustibil ...), controlează cererea de cuplu și calculează următoarele patru variabile: încărcarea solicitata de către conducătorul auto, modul de ardere, eliberarea termică a coeficientului de ardere, ralanti controlat.

Senzor poluant de mac

Intrările de la portul 3 sunt transmise fără modificări ca ieșiri la portul 1. Ieșirile de la portul 2 sunt pachetul de emisii de poluanți [în mg]. Poluanții respectivi sunt: monoxid de carbon CO, hidrocarburi HC, oxizi de azot NOx, funingine. DRVMS0A poate fi conectat numai cu componentele de evacuare ale bibliotecii IFP unitate.

32

Sisteme de propulsie hibride

Incarcare rotativa cu doi arbori RL01 este un submodel dinamic a unei sarcini rotative sub acțiunea a două cupluri externe în Nm aplicat celor două porturi. Există prevederi pentru frecare vâscoasă, frecare Coulomb. RL01 calculează viteza de rotație în rot / min. Accelerația rotativa este calculata ca o variabilă internă. Utilizarea RL01 pentru mișcarea de rotație a unei inerții cu două cupluri aplicate atunci când nu există frecare. RL01 diferă de RL02 numai în frecare. RL01 diferă de RL04 cand deplasarea unghiulară este calculata la porturile RL01.

Traductor viteză de rotație cu offset WT010 este un traductor de viteză unghiulară. În mod normal, acesta este folosit între o sarcină rotativa și un ax rotativ, cum ar fi un motor hidraulic. Viteza în rot / min este de intrare în port 1 și este trecut fără modificări să fie transmis la portul 3. Cuplul în Nm este introdus în portul 3 și este trecut fără modificări la portul 1. Un offset în rot / min se scade din viteza unghiulară, iar rezultatul se înmulțește cu un câștig în min / rev să devină un semnal cu unități nule în port 2.WT010 diferă de WT000 în care variabilele asociate cu porturi 1 și 3 sunt interschimbate. WT010 diferă de WT011 în care WT010 nu utilizează unghiuri în porturi.

33

Sisteme de propulsie hibride

Raport de transmisie RN000 este un raport de transmisie mecanică rotativă ideală. Aceasta multiplică viteza rotativa în rot / min de intrare în portul 1 de alfa raport de transmisie introdus de utilizator pentru a calcula viteza de ieșire în portul 2 presupunând 100% eficienta mecanica. Cuplul în Nm intrare în portul 2 este, de asemenea, înmulțită cu acest raport de transmisie pentru a calcula un cuplu de ieșire la portul 1. RN000 diferă de RN000A în care nu deplasarea unghiulară este trecuta în porturi.

Semnal de conversie a temperaturii

Acesta este un submodel de conversie care are un semnal de intrare adimensional și copiile la un port termic în cazul în care este interpretată ca o temperatură în grade C. Semnalul de temperatură este o intrare în portul 1. Temperatura generata la portul 2 este o ieșire în grade C.

34

Sisteme de propulsie hibride

Motor electric / generator

DRVELMT0A este un model de motor electric / generator cu convertor de cuplu și a puterii de ieșire. Pierderile pot fi determinate fie prin utilizarea fișierelor de date sau parametrilor caracteristici. Acest model este bidirecțional (motor / generator) și independent de tehnologia motorului și a convertorului acestuia. Aceasta diferă de DRVELM1A de port termic: pierderile de putere sunt de ieșire și temperatura motorului este de intrare în portul 1. temperatura de intrare nu este folosita. DRVELMT0A poate fi folosit ca generator sau ca motor. Sunt considerate condițiile de funcționare static în domeniul liniar al motorului. Acest model poate fi folosit pentru simulări dinamice în cazul în care timpul de instituire a curentului este suficient de rapid în comparație cu dinamica sistemului.

Baterie cu efecte termice

Acesta este un submodel de baterie cu efecte termice. Este un model de rezistență internă, care caracterizează bateria cu o sursă de tensiune și o rezistență internă. Tensiunea de ieșire a bateriei este calculată după cum urmează: V = V0-R⋅I Unde: V este tensiunea de ieșire [V], V0 este tensiunea circuitului deschis [V], R este rezistența internă echivalentă [Ohm], I este curentul de intrare [A]. Datele experimentale sunt necesare pentru a descrie tensiunea circuitului deschis și rezistența internă. Efectele termice sunt luate în considerare. R și V0 depind și de temperatură. DRVBATT0C este folosit pentru a furniza dispozitive electrice, cum ar fi motoarele electrice, accesorii electrice auto, electronica de putere ... Utilizați DRVBAT01C ca submodel pentru o modelare simplă fără efecte termice.

35

Sisteme de propulsie hibride

Unitate de control pentru un vehicul hibrid serie Unitatea de control primește informații de la conducătorul auto (accelerația și comenzile de frânare), motorul electric și generatorul de (viteza de rotație), bateria (de stat de încărcare și de tensiune) și viteza vehiculului. Le analizează pentru a minimiza consumul bateriei. Motorul electric poate fi utilizat ca un generator pentru a încărca bateria atunci când șoferul frânează. Dacă puterea solicitata că bateria este importantă, motorul este pornit cu generatorul electric si ajunge ca viteza sa de rotație optima pentru a minimiza consumul. Unitatea de comandă oferă informații la motorul electric și generatorul, la sistemul de frânare a vehiculului, iar dupa la motor. Se calculează, de asemenea, valoarea de încălzire peste coeficientul de ardere Ktherm în funcție de Twater (intrare în portul 12). Strategia utilizată în această unitate de comandă este o strategie de bază și nu este optimizata. Utilizatorul poate îmbunătăți și crea o nouă unitate de control. Unitatea de control trebuie să fie folosita cu un vehicul hibrid serie.

Senzor de deplasare cu compensare MECDS0A este un senzor de deplasare liniară. Săgeata din pictograma de jos definește convenția pozitiva al deplasării. Toate săgețile în schiță (cele ale senzorilor și cele ale maselor) trebuie să fie orientate în aceeași direcție. Prin urmare, semnalul de ieșire la portul 2 nu ar depinde de partea masei. Direcția de săgeată poate fi schimbata fie în modul schiță de icoana, sau în modul parametru cu o enumerare. Deplasarea în m și viteza în m / s, care sunt introduse în portul 3 și sunt transmise fără modificări la portul 1. Forța în N, care este de intrare în portul 1 este trecut fără modificări la portul 3. MECDS0A diferă de MECDS1A în care acesta din urmă include accelerarea. MECDS0A diferă de MECDS0B în care variabilele asociate cu porturile 1 și 3 sunt interschimbate.

36

Sisteme de propulsie hibride

Senzor de viteză cu compensare

MECVS0A este un senzor de viteză liniară. Săgeata din pictograma de jos definește convenția pozitivă a vitezei. Toate săgețile în schiță (cele ale senzorilor și cele ale maselor) trebuie să fie orientate în aceeași direcție. Prin urmare, semnalul de ieșire la portul 2 nu ar depinde de partea masei. Direcția de săgeată poate fi schimbat fie în modul schiță, sau în modul parametru cu o enumerare. Viteza in m / s și deplasarea în m sunt de intrare la portul 3 și sunt transmise fără modificări să fie transmis la portul 1. Forța in N este de intrare în port 1 și este trecut fără modificări la portul 3.

Sursa variabila globala de profil Acest submodel este folosit pentru a observa datele de caracteristică a sistemului. DRVGVS2A face posibilă utilizarea la intrare a oricărui submodel o variabilă definită în "profil de misiune si date de mediu". Nu uitați să introduceți pe schița dumneavoastră un "profil de misiune și de date de mediu".

37

Sisteme de propulsie hibride

Sursa pentru determinarea pantei in functie de deplasarea vehiculului

DRVGVSS2A calculează panta în [%] sau sarcina vehiculului [kg] (ieșire la portul 1) din deplasarea vehiculului [m] (intrare în portul 2), cu ajutorul fișierului specificat în "profilul de misiune & datele înconjurător "DRVMP2A submodel sau DRVMP2B.

Sofer pentru cutie de viteze automata, CVT ..

Acest submodel calculează mai multe controale: Port 2: frânare de control "br" (0 = fără frânare; 1 = frânare maximă) Port 1: controlul accelerației "ACC" (0 = fără accelerație; 1 = accelerație maximă) Următoarea intrare este necesara să se calculeze rezultatele: Port 3: viteza vehiculului "Versetele" Acest sofer poate fi folosit în modelarea fiecarui vehicul fără schimbator manual: vehicul cu viteze automate, CVT ... Acest submodel se calculează raportul cutie de viteze și control ambreiaj. Raportul cutie de viteze și a controalelor ambreiajului (dacă este cazul) trebuie să fie calculate într-un submodel ECU sau alte submodele sunt disponibile (nota aceste submodele necesită o pictogramă diferită). Un DRVMP2A profil misiune este necesar să indice ciclul utilizat. Submodelul poate lua în considerare în cazul în care șoferul frânează sau atunci când autovehiculul este oprit: Dacă șoferul apasă pedala de frână atunci când vehiculul este oprit; el trebuie să se oprească împingându-l.

38

Sisteme de propulsie hibride

Autovehiculul Aceasta este un submodel de vehicul cu sarcină constantă. Ambele axe fata si spate sunt modelate (care permit aplicații 4x4), iar utilizatorul poate alege între două configurații de vehicule: rutiere: fier de frecare, panta rutiera și rezistențe aerodinamice luate în considerare, stand cu role: role de testare a coeficienților de frecare definite de utilizator.

39

Sisteme de propulsie hibride

Bibliografie

1. http://www.nmbtc.com/motors/part-numbers/ 2. http://www.energielibera.net/Motorul-cu-magneti/motoare-cumagneti-permanenti-prima-parte.html 3. http://ysservomotor.en.made-in-china.com 4. http://www.umeb.ro/upload/files/carti_tehnice/catalog_motoare_ro mana.pdf 5. http://www.auto-data.net/ro/ 6. “Indrumator de proiectare a masinii sincrone” - Universitatea tehnica,Cluj-Napoca 7. ACŢIONǍRI ELECTRICE ŞI ELECTRONICE ALE MOTORULUI ELECTRIC -EDITURA CONSPRESS,2012

Programe utilizate:

1. Catia V5 2. AMESim 3. Microsoft Excel

40