Трёхфазный коллекторный асинхронный двигатель с питанием со стороны ротора

Обращенный (питание с ротора) асинхронный двигатель, позволяющий плавно регулировать скорость от минимальной (диапазон определяется обмоточными данными добавочной обмотки, используемой для получения добавочной ЭДС, вводимой с частотой скольжения во вторичную цепь машины) до максимальной, лежащей обычно выше скорости синхронизма. Физически производится изменением раствора двойного комплекта щёток на каждую «фазу» вторичной цепи двигателя.

Таким образом, переставляя при помощи механического устройства (штурвал или иное исполнительное устройство) щёточные траверсы являлось возможным весьма экономично управлять скоростью асинхронного двигателя переменного тока. Идея управления в общем предельно проста и будет реализована впоследствии в так называемых асинхронно-вентильных каскадах, где в цепь фазного ротора включали тиристорный преобразователь, работавший инвертором или в выпрямительном режиме.

Сущность идеи — во вторичную цепь асинхронного двигателя вводится добавочная ЭДС изменяемой амплитуды и фазы с частотой скольжения. Задачу согласования частоты добавочной ЭДС с частотой скольжения ротора выполняет коллектор. Если добавочная ЭДС противонаправлена основной, производится вывод мощности из вторичной цепи двигателя с соответствующим уменьшением скорости машины, ограничение скорости вниз диктуется только условиями охлаждения обмоток).

В точке синхронизма машины частота добавочной ЭДС равна нулю, то есть во вторичную цепь коллектором подаётся постоянный ток. В случае суммирования добавочной ЭДС с основной производится инвертирование добавочной мощности во вторичную цепь машины, и соответственно — разгон выше синхронной частоты вращения. Таким образом, результатом регулирования являлось семейство достаточно жестких характеристик с уменьшением критического момента при снижении скорости, а при разгоне выше синхронной скорости — с его пропорциональным увеличением.

Определенный интерес представляет собой работа машины с несимметричным раствором щеточных траверс. В этом случае векторная диаграмма добавочной э.д.с. двигателя получает так называемую тангенциальную составляющую, делающую возможным работу с ёмкостной реакцией на сеть.

Конструкционно двигатель представляет собой обращенную машину, где на роторе уложены две обмотки: питание с питанием с контактных колец и обмотку, соединяемую посредством двух пар щеток на «фазу» со вторичной обмоткой статора. Фактически, эти две части вторичной обмотки в зависимости от положения щеточных траверс включается то согласно друг другу, то встречно. Так осуществляется регулирование.

Гибридные двигатели

Главная задача гибридного автомобиля – снижение расхода топлива, а также снижение вредных выбросов в атмосферу. 78% выбросов углекислого газа за полный жизненный цикл обычного автомобиля приходятся на его эксплуатацию и лишь 22% – на все остальное. Поэтому 4% «добавки» на производство и переработку батареи, электромотора и генератора гибрида с лихвой компенсируются снижением выбросов на 30% во время езды. В последнее время, в связи с высокими ценами на нефть и постоянным повышением экологических требований, рыночный спрос на подобные автомобили возрос многократно. При этом, совершенствование технологий и налоговые льготы производителям гибридов снижают стоимость их производства, сравнимую в наше время со стоимостью производства обычного автомобиля. Владельцы таких транспортных средств во многих странах уже несколько лет имеют льготы при уплате дорожного налога и освобождены от платы на муниципальных парковках.

Первые разработки появились на рубеже 19 – 20 в.в. Первым автомобилем с гибридным приводом считается Lohner-Porsche (рисунок 2). Автомобиль был разработан конструктором Фердинандом Порше в 1900–1901 годах.

Рисунок 2 - Lohner-Porsche с гибридным приводом

 

В 1900 году на Парижском автосалоне был впервые представлен электрический вариант. Далее Ф. Порше добавил в середину шасси автомобиля два бензиновых двигателя внутреннего сгорания, которые служили приводом для двух электрогенераторов. Выработанный динамо-машинами электрический ток сначала подавался на двигатели в колесах, от которых избыточная мощность поступала в аккумуляторные батареи. Кроме того, особый побочный эффект состоял в том, что генераторы при перемене полярности можно было использовать в качестве электрических стартеров для бензиновых двигателей.

Технические характеристики:

· Масса: 1,2 т (была слишком велика для мягкой резиновой смеси пневматических шин того времени);

· Два бензиновых двигателя DeDion Bouton с водяным охлаждением мощностью 3,5 л.с.;

· Два электрогенератора по 2,5 л.с. Оба генератора работали отдельно друг от друга и каждый обеспечивал ток 20 А при напряжении 90 В;

· Пробег: 200 км.

 

Начиная с 1897 года и на протяжении 10 последующих лет, французская Compagnie Parisienne des Voitures Electriques выпустила партию электромобилей и машин с гибридными двигателями.

В 1900 году General Electric сконструировала гибридный автомобиль с 4-цилиндровым бензиновым мотором. А с конвейера Walker Vehicle Company of Chicago «гибридные» грузовики сходили до 1940 года. Стоит заметить, что ресурсные и экологические проблемы в те времена еще не рассматривались. Продвижению же гибрида «в массы» тогда помешала высокая цена комплектующих электроустановок, а также малые мощности и непомерный вес элементов питания (аккумуляторных батарей).

Гибридный автомобиль – это автомобиль, приводимый в движение системой «ДВС – накопитель энергии – привод».

В зависимости от задач, которые ставят перед собой конструкторы, используются разные схемы, у каждой из которых есть достоинства, недостатки и просто особенности.

По методу подключения двигателя и накопителя энергии к приводу схемы делятся на: последовательные, параллельные и параллельно-последовательные.

Последовательная кинематическая схема (рисунок 2) энергетической установки исключает механическую связь колес с первичным источником энергии. ДВС является источником энергии для электрогенератора, который, в свою очередь, питает электродвигатели привода колес. Между генератором и двигателем (двигателями) привода расположен накопитель энергии (аккумуляторная батарея (АБ) или суперконденсаторы). Накопитель аккумулирует избытки вырабатываемой генератором электроэнергии, получает энергию рекуперации при торможении, обеспечивает пиковые нагрузки на колесах. Схема позволяет стабилизировать режим работы первичного двигателя в плане максимальной топливной эффективности и минимальных выбросов, исключить конструктивные элементы механической передачи: коробки передач, валы и т.д. При сохранении момента привода можно использовать двигатель меньшей мощности. Внедрить такую схему наиболее просто, т. к. можно обеспечить любую компоновку элементов привода (отсутствует передача энергии по механическому каналу). Электрическая схема также довольно проста, ее можно применить как с ДВС, так и с альтернативными источниками энергии (топливными элементами и т.д.).

К недостаткам схемы относятся двойное преобразование энергии (теоретически – ниже КПД), необходимость применения электромашин и силового преобразователя на полную мощность привода, относительно высокая цена комплекта тягового оборудования.

Рисунок 2 – Схема последовательных гибридов

Параллельная схема (рисунок 3) обеспечивает передачу энергии на колеса как от ДВС, так и параллельно – от электродвигателя. При этом накопитель энергии работает так же, как в последовательной схеме. Электродвигатель компенсирует неравномерности работы ДВС и недостатки момента, обеспечивая плавность хода и экономию топлива за счет энергии накопителя, полученной при рекуперативном торможении. При малых оборотах движение транспортного средства может обеспечивать только электродвигатель, а ДВС включается в работу при наборе достаточной скорости движения. Схема имеет относительно высокий КПД и хорошие массогабаритные показатели, к тому же, она относительно недорогая (электрооборудование применяется только на часть полной мощности). К недостаткам схемы относятся сложность механического согласования работы ДВС и электропривода, ограничения в компоновке, необходимость применения устройств механического согласования (коробок передач специальной конструкции). Правда, от согласования работы ДВС и электропривода можно уйти, обеспечив передачу ими момента на разные оси (колеса), однако такой прием не всегда допустим по условиям размещения тягового оборудования и баланса масс транспортного средства. Существенным недостатком схемы является также нестабильность работы ДВС, соответственно, ухудшаются показатели выбросов по сравнению с последовательной схемой.

Рисунок 3 – Схема параллельных гибридов

Комбинированная схема сочетает преимущества последовательной и параллельной схем за счет специального устройства согласования работы ДВС и электродвигателя (например, несимметричный планетарный дифференциал). Устройство согласования позволяет перераспределять потоки мощности между двумя источниками энергии (тепловой двигатель и электрический накопитель) и двумя каналами передачи энергии на колеса (механическим и электромеханическим) и передавать мощность между ними в любом направлении. В такой схеме может работать как один источник энергии (ДВС или накопитель электроэнергии), так и сразу два (ДВС и накопитель), а вращение передается на колеса как механическим, так и электрическим двигателями, либо только одним из них (любым). Такая схема обеспечивает высокую экономичность, максимальную гибкость в режимах работы системы тягового привода, но является довольно сложной в разработке и реализации, требует создания сложных и дорогих механических элементов. 2. По типам накопителей схемы могут быть электрические (на основе электрохимических аккумуляторов); механические (на основе пневматических аккумуляторов); инерционные (маховик).