Tyrinėjant trifazio nuolatinių magnetų sinchroninio variklio-generatoriaus (MG), sumontuoto VW E-Golf automobilyje, veikimą, kilo keletas klausimų apie tipinį veikimą ir grandinės charakteristikas. Norėčiau čia pasidalyti šiais klausimais ir išvadomis bei juos aptarti.
Prieš pradedant, turėkite omenyje, kad sauga, sertifikavimas, mokymai ir sistemos išmanymas yra būtini ir svarbiausi dalykai, nes toliau pateikti matavimai apima darbą su įtampa.
Kalbant apie sistemos išmanymą, VAG savarankiško mokymosi programos (SSP-530 ir SSP-527) suteikia neįkainojamų žinių apie E-Golf aukštosios įtampos sistemos aprašymą ir veikimą.
Pastaba. SSP nepakeičia elektromobilių (EV) mokymų.
Pradėsiu nuo grandinių, kurias matavau, apžvalgos. Žemiau pateiktame ekrano vaizde matome mūsų E-Golf, pajudantį iš vietos ir po to lėtėjantį iki sustojimo, kai įjungtas 3-iasis „rekuperacijos" lygis (pasirenkamas vairuotojo). T. y. automobilis lėtėja dėl „rotoriaus" apkrovimo, kai šis veikia kaip generatorius. (Rotorius per transmisiją sujungtas su varančiaisiais ratais.)
Šio bandymo metu mums kilo klausimas dėl MG būsenos: „Kaip iš neseniai atliktų matavimų galime nustatyti, kada MG veikia kaip variklis, o kada — kaip generatorius?"
Manau, paprastas atsakymas turi būti aukštosios įtampos (HV) akumuliatoriaus nuolatinė srovė, užfiksuota F kanale. Užfiksavome tikslų momentą, kada srovės tekėjimas iš HV akumuliatoriaus iš teigiamos reikšmės (variklio maitinimas) pasikeitė į neigiamą dėl rekuperacijos, MG dabar veikiant kaip generatoriui (žr. žemiau).
Atkreipkite dėmesį, kaip aukščiau pateiktame ekrano vaizde teigiama nuolatinė srovė iš HV akumuliatoriaus pasiekia maždaug + 91 A pikinę reikšmę. Ji naudojama mūsų varikliui maitinti ir automobiliui varyti. Lėtėjimo metu srovės kryptis pasikeičia, nes mūsų MG veikia kaip generatorius, todėl pikinė neigiama srovė siekia maždaug –50 A.
Maždaug 12,5 sekundės nuo matavimo pradžios į HV akumuliatorių tiekiama dar –16 A srovės (iš viso –66,85 A) dėl paspausto stabdžių pedalo, kuris papildomai sumažina rotoriaus sūkius ir dar labiau padidina generuojamą srovę.
Trumpas patarimas: atkreipkite dėmesį, kad F kanalas turi keturias signalo liniuotes vietoje dviejų!
Kad vienai signalo formai galėtumėte naudoti keturias signalo liniuotes, turite sukurti atskaitos signalo formą, kuri automatiškai pasislėps po dominančia signalo forma. Signalo formos dubliavimo privalumas — papildomos dvi signalo liniuotės, leidžiančios atlikti kelis tos pačios kreivės matavimus.
Daugiau informacijos apie atskaitos signalo formas rasite „A to Z of PicoScope" čia ir čia.
Norint suprasti mūsų MG našumą, kai jis veikia kaip generatorius, galima giliau pasinerti į trifazio nuolatinių magnetų sinchroninio variklio veikimo charakteristikas, remiantis aukščiau pateiktais PicoScope duomenimis ir žemiau išdėstyta teorija.
Toliau pateiktame forumo įraše aptariamas trifazio bešepetėlio nuolatinės srovės variklio veikimas, o tai (jei nerandame geresnio apibūdinimo) tiksliai atitinka tai, ką turime aptariamame automobilyje.
Užuot man bandant aiškinti, kaip veikia trifazis bešepetėlis nuolatinės srovės variklis, galite peržiūrėti puikią animaciją čia. Atkreipkite dėmesį, kad šioje animacijoje rotorius yra statoriaus išorėje. Elektromobiliuose rotorius yra statoriaus viduje ir galiausiai sujungtas su varančiaisiais ratais.
Apibendrinant animacijoje aprašytą veikimą: mūsų MG statoriuje sukuriamas besisukantis magnetinis laukas (RMF), o tai vadinama „elektronine komutacija" arba trumpiau „EC".
RMF sukimosi greitį lemia tikslus daugelio galios tranzistorių perjungimas naudojant PWM valdymo signalus.
Pageidautinas šalutinis tikslaus aukštosios įtampos nuolatinės srovės perjungimo (PWM valdymo) poveikis — trifazės aukštosios įtampos kintamosios srovės sukūrimas.
Toliau pateiktame vaizdo įraše išsamiau aptariamas nuolatinės srovės keitimas į kintamąją.
Naudodami toliau pateikto E kanalo teigiamą užpildos koeficientą, galime matyti, kaip valdoma vienos iš mūsų MG fazių (fazės W) aukštoji įtampa, siekiant sukurti kintamąją srovę.
Atkreipkite dėmesį, kad aukščiau pateiktas matematinis kanalas „posduty(E)" atskleidžia, kaip didžiausias MG fazės W įtampos teigiamas užpildos valdymas (apie 58 %) beveik sutampa su didžiausia teigiama srove (apie 171 A), tekančia per fazės apviją. Panašiai mažesnis 42 % teigiamas užpildos koeficientas beveik sutampa su didžiausia neigiama –177 A srove.
Atkreipkite dėmesį, kad žemiau pateiktame ekrano vaizde teigiamo užpildos koeficiento matematinis kanalas taip pat atskleidžia, kaip įtampa pirmauja prieš srovę (maždaug 469 µs) — tai būdinga induktyvumui ir išryškina laidininko ritės (fazės W) savybes, priešinančias kintamosios srovės tekėjimui dėl induktyviosios varžos.
Dabar, kai turime savo RMF (kurio sukimosi greitis vadinamas sinchroniniu greičiu), galime pradėti sukti rotorių ir, žinoma, varančiuosius ratus, dėl sąveikos tarp indukuoto statoriaus magnetinio lauko ir nuolatinių magnetų rotoriaus. Vėlgi žiūrėkite aukščiau pateiktas animacijos ir vaizdo įrašo nuorodas.
Teorinis rotoriaus sukimosi greitis sinchroniniame variklyje turėtų būti identiškas statoriaus RMF greičiui (juk tai sinchroninis variklis). Šią teoriją galime įrodyti pasitelkę matematiką ir žemiau pateiktas formules, kad rastume užuominų apie mūsų MG būseną. Ar jis veikia kaip variklis, ar kaip generatorius, remiantis rotoriaus greičiu?
Taigi kaip apskaičiuoti RMF ir rotoriaus greitį?
Pradėkime nuo RMF greičio skaičiavimo. Galime naudoti tokią formulę: 120*Freq(C) / polių skaičius.
120 reiškia laipsnių skirtumą tarp mūsų trijų fazių (120°).
Dažnis (C) reiškia kintamosios srovės, tekančios per mūsų fazes, dažnį (Hz).
Polių skaičius reiškia magnetų skaičių, padaugintą iš 2 (kiekvienas magnetas turi šiaurinį ir pietinį polių).
Dar kartą peržiūrėjus mūsų SSP, paaiškėjo, kad mūsų rotorius turi penkias magnetinių polių poras (dešimt polių), ir aš dariau prielaidą, kad statoriuje yra tiek pat!
Žemiau pateiktame ekrano vaizde naudojame matematinį kanalą „120*freq(C)/10", kad parodytume savo RMF greitį (sinchroninį greitį).
Rotoriaus greičiui nustatyti turėjome kelis variantus, ir mano pirmasis pasirinkimas buvo naudoti rato greitį, padaugintą iš transmisijos perdavimo santykio.
Čia mūsų optinis jutiklis (B kanale), nukreiptas į atspindinčios juostelės gabalėlį, priklijuotą ant kairiojo pusašio, generuos vieną impulsą per vieną varančiojo rato apsisukimą.
Skiriamajai gebai ir tikslumui pagerinti papildomai pridėjau kairiojo priekinio rato greičio jutiklio signalą A kanale.
Naudodami vieną impulsą iš pusašio, dabar galime apskaičiuoti mūsų ratų greičio jutiklio impulsų skaičių, tenkantį vienam rato apsisukimui. Šį metodą jau esame naudoję anksčiau, ir apie tai galite paskaityti čia.
Naudodami PicoScope 7 Automotive matavimo funkciją „Falling Edge Count" (krintančių frontų skaičius) (tarp laiko liniuočių aukščiau pateiktame ekrano vaizde), galime daryti išvadą, kad mūsų ABS ratų greičio jutiklio „ėmiklis" davė 44 impulsus per apsisukimą.
Kadangi žinojome, kad E-Golf transmisija turi vieną 2,704:1 pavaros perdavimo santykį ir 3,608 galutinį perdavimo santykį, bendras suminis perdavimo santykis lygus 2,704 x 3,608 = 9,756 :1
Dabar galime apskaičiuoti rotoriaus greitį naudodami tokį matematinį kanalą: (60/44*freq(A)/60)*9.756*60
60/44*freq(A) duos varančiojo rato sūkius per minutę, remiantis 44 ABS jutiklio impulsais per apsisukimą.
/60 pavers sūkius per minutę į dažnį hercais.
*9.756 duos rotoriaus dažnį hercais.
*60 pavers rotoriaus dažnį į sūkius per minutę.
Kaip matote aukščiau pateiktame ekrano vaizde, rotoriaus greitis, kurį apskaičiavome iš ABS ratų greičio ir bendro transmisijos perdavimo santykio, atrodo mažesnis už sinchroninį greitį! Tai smarkiai prieštarauja sinchroninio variklio charakteristikoms ir išryškina kintamuosius, į kuriuos reikia atsižvelgti skaičiuojant rotoriaus greitį tokiu būdu. Tipiniai kintamieji — tai visoje pavarų grandinėje susikaupiančios leistinos nuokrypos ir diferencialo veikimas dėl vairo pasukimo bei pan.
Alternatyvus rotoriaus greičio matavimo būdas — naudoti integruotą rotoriaus greičio jutiklį (VAG jį vadina „G713").
Norėdami tai padaryti, turime nustatyti, kiek elektrinių ciklų duoda rotoriaus greičio jutiklis vienam rotoriaus apsisukimui — bet kaip?
Tam reikia žinoti rotoriaus polių skaičių, aprašytą mūsų SSP 530 ir 527, kuris šiuo atveju, kaip minėjau anksčiau, yra dešimt. Tada polių skaičius dalijamas iš dviejų, kad nustatytume elektrinių ciklų skaičių vienam rotoriaus apsisukimui. Bet kodėl dalijame iš dviejų?
Dešimt rotoriaus polių išdėstyti pakaitomis: šiaurinis, pietinis, šiaurinis, pietinis ir t. t. Kai greičio jutiklis aptinka kiekvieną polių (pvz., šiaurinį), jis generuoja atitinkamos krypties įtampos signalą, sudarantį vieną mūsų sinusoidės pusę. Kai jutiklis aptinka kitą, priešingą polių (pvz., pietinį), jis generuoja priešingos krypties įtampos signalą, sudarantį antrąją sinusoidės pusę ir užbaigiantį vieną elektrinį ciklą. Vadinasi, kiekvienam pilnam elektriniam ciklui pro rotoriaus greičio jutiklį turi praeiti du priešingi magnetiniai poliai.
Todėl elektrinių ciklų skaičius vienam rotoriaus apsisukimui = rotoriaus polių skaičius (10) / 2 = 5.
Toliau pateikta signalo forma padės paaiškinti aukščiau išdėstytą teiginį. Atkreipkite dėmesį, kad šiame automobilyje rotoriaus greičio jutiklio ir rotoriaus mazgo elektriniai ciklai yra identiški.
Remiantis tuo, kas išdėstyta: jei žinome savo rotoriaus polių skaičių, galime naudoti formulę 60/5*freq(H). H kanalas prijungtas prie rotoriaus greičio jutiklio.
Manau, visi sutiksime, kad aukščiau pateiktame žalsvame matematiniame kanale mūsų rotoriaus greitis iš tiesų sutampa su RMF greičiu tiek įsibėgėjimo, tiek lėtėjimo metu. Dabar patvirtinome, kad šis variklis iš tiesų yra sinchroninis.
Grafiškai atvaizduojant tiek RMF, tiek rotoriaus greitį visame sūkių ir apkrovų diapazone (sinchroninių MG atveju) gaunami neįkainojami duomenys vertinant inverterio našumą, statoriaus vientisumą, rotoriaus balansą ir pavarų grandinės būklę. Čia ieškome vienodumo ir tobulos sinchronizacijos tarp dviejų matematinių kanalų, o bet koks „iškritimas" ar ciklinis nuokrypis išryškins nerimą keliančias sritis. Kalbant apie ciklinį nuokrypį, susipažinkite su Ben'o „Martins' Method".
Jei tai būtų buvęs indukcinis asinchroninis variklis, mūsų RMF greitis įsibėgėjimo metu būtų didesnis už rotoriaus greitį, o lėtėjimo metu — mažesnis (reiškinys, vadinamas „slydimu"). Šis reiškinys ir charakteristika gali būti naudojami kaip MG būsenos (variklis ar generatorius) požymis tik indukciniams asinchroniniams varikliams; gera tai žinoti, tačiau mūsų sinchroniniam varikliui tai netaikoma. Tad kur toliau?
Grįžkime prie pirminio klausimo: „Kaip iš aukščiau pateiktų matavimų galime nustatyti, kada MG veikia kaip variklis, o kada — kaip generatorius?" Darant prielaidą, kad neturite srovės replių, uždėtų ant HV akumuliatoriaus nuolatinės srovės kabelio (2 paveikslėlis aukščiau), ir matuojate vienos fazės įtampą (HV neigiamo poliaus atžvilgiu) kartu su srove, atsakymas yra „fazė".
Atkreipkite dėmesį į fazinį santykį tarp fazės įtampos teigiamo užpildos koeficiento ir srovės žemiau pateiktame ekrano vaizde, palyginti su 3 ir 4 paveikslėliais aukščiau.
Atkreipkite dėmesį, kaip aukščiau matematinis kanalas „posduty(E)" atskleidžia, kad didžiausias MG fazės W įtampos teigiamas užpildos valdymas (apie 64 %) sutampa su didžiausia neigiama srove (apie –143 A), tekančia per fazės apviją. Panašiai mūsų mažesnis 35 % teigiamas užpildos koeficientas sutampa su didžiausia teigiama –137 A srove. Tai visiška priešingybė užpildos koeficiento elgsenai, kai mūsų MG veikia kaip variklis, nes jų fazinis santykis pasislinko maždaug 180°! (Kalbant apie elektrinius ciklus.)
Žemiau pateiktoje signalo formoje įvedamos fazių liniuotės, žyminčios 360° rotoriaus apsisukimą su penkiomis dalimis — po vieną kiekvienam rotoriaus magnetui (72° laipsnių viena nuo kitos). Aiškiai matome fazių poslinkį tarp fazės įtampos teigiamo užpildos koeficiento ir srovės.
Kadangi santykis („fazė") tarp mūsų fazės apvijos įtampos teigiamo užpildos koeficiento ir srovės atskleidžia MG veikimo būseną (variklis ar generatorius), ar nebūtų puiku, jei galėtume tiesiog nubraižyti fazių poslinkio grafiką, užuot didinę kiekvieną signalo formos dalį ir matavę fazę?
Na, pasiruoškite visų matematinių kanalų motinai — dėkoju savo kolegai Martyn (matematinių kanalų Obi-Wan'ui):
LowPass(Duty(((((atan(1/tan(pi*((posduty(E)-50)/10000)))/pi)+((posduty(E)-50)/10000))*-((atan(1/tan(pi*(C/10000)))/pi)+(C/10000)))+0.25))/0.555555555,10)
Nemėginsiu aiškinti aukščiau pateiktos matematikos — pasakysiu tik tiek, kad joje yra žemų dažnių filtras, trigonometrija, teigiamo užpildos koeficiento skaičiavimai ir žiupsnelis magijos!
Deja, pritaikius šį matematinį kanalą aukščiau pateiktam matavimui, jis nenubraižo jokių duomenų dėl matavimo klaidos C kanale! Įžvalgesnieji bus pastebėję, kad įsibėgėjimo ir lėtėjimo metu yra matavimo ribos viršijimo („over range") būklė, kai srovė viršijo 200 A. Tokiu atveju matematinis kanalas negali atlikti skaičiavimų ir grąžina begalinę reikšmę, todėl duomenys nebraižomi.
Tačiau nėra ko nerimauti — peržiūrėjus panašius E-Golf bandymus, atsirado „TEST 8", kuriame yra dar vienas įsibėgėjimo ir lėtėjimo įvykis, kai visos fazių srovės neviršija matavimo ribos, ir kaip papildomas privalumas užfiksuota HV akumuliatoriaus nuolatinė įtampa. (Atkreipkite dėmesį į jos padidėjimą lėtėjimo metu.)
Dabar matematinis kanalas pakeistas, ir mes nagrinėjame fazę tarp A kanalo (fazės apvijos U įtampos teigiamo užpildos koeficiento) ir D kanalo (fazės apvijos U srovės): LowPass(Duty(((((atan(1/tan(pi*((posduty(A)-50)/10000)))/pi)+((posduty(A)-50)/10000))*-((atan(1/tan(pi*(D/10000)))/pi)+(D/10000)))+0.25))/0.555555555,10)
Aukščiau pateiktame ekrano vaizde matote, kaip braižome fazių poslinkį tarp mūsų fazės apvijos U įtampos teigiamo užpildos koeficiento (matuojant HV neigiamo poliaus atžvilgiu) ir fazės apvijos U srovės, kad nustatytume savo variklio-generatoriaus (MG) būseną.
Žemiau pateiktame ekrano vaizde paslėpiau kai kurias signalų formas ir pašalinau nemažai liniuočių, kad geriau parodyčiau fazių poslinkio braižymo vertę.
Tikiuosi, kad tai padės. Bus ir daugiau, kai giliau panagrinėsime šio straipsnio matavimus ir palyginsime rezultatus su indukciniu asinchroniniu varikliu. Turime dar tiek daug ko išmokti kartu.
Straipsnis išverstas iš Pico Technology bibliotekos su gamintojo leidimu. Originalas: picoauto.com. PicoScope įrangą rasite mūsų kataloge.