Конструкции тяговых систем ЭД (окончание)

При ограниченном напряжении питания основные меры по снижению потерь энергии связаны с увеличением массы и габаритных размеров двигателя; к этим мерам относятся: уменьшение сопротивления якорной цепи за счет увеличения массы меди якоря, уменьшение магнитных нагрузок путем увеличения массы стали и т. п. При низких значениях удельной энергоемкости батареи q эти меры представляются оправданными. Однако вряд ли можно считать правильной ориентацию на удельную энергоемкость порядка 20-30 Вт ч/кг, а для более высоких удельных показателей источника тока принципиально необходимо искать новые пути конструктивной оптимизации двигателей.

Заметим попутно, что необходимость снижения потерь энергии в двигателе позволяет проще решать вопросы их охлаждения. По этой причине не получили развития работы по форсированным жидкостным системам охлаждения двигателей.

По вводимой в последние годы терминологии понятие «контроллер для электромобилей» объединяет преобразовательные устройства, аппаратуру управления и защиты, электронные устройства управления и другие узлы тягового электропривода. Аналогично обстоит дело и с конструктивным исполнением таких контроллеров, предусматривающих объединение в общем корпусе максимально возможного числа устройств. Это позволяет эффективно решать вопросы защиты от воздействий окружающей среды, рациональной установки аппаратуры управления на электромобиле, первичной наладки, диагностики и ремонтообслуживания в процессе эксплуатации. Однако в общем корпусе обычно предусматривается блочное исполнение отдельных функциональных устройств.

Конструкция блока силового преобразователя, питающего якорную цепь двигателя, в значительной мере определяется конструктивным исполнением применяемых силовых элементов - тиристоров, транзисторов, контакторов и т. п., а также радиаторов для их охлаждения. Заметим, что применение разнородных систем охлаждения для электродвигателя и силового преобразователя является нерациональным из-за увеличения массы вспомогательных устройств и усложнения общей схемы теплообмена. По этой причине (несмотря на эффективность жидкостного охлаждения силового преобразователя) практическое применение находит почти исключительно воздушное охлаждение.

Для воздушного охлаждения можно выделить две конструктивные схемы блока преобразователя:

с единым базовым теплоотводящим элементом, имеющим ореб-ренные поверхности для обдува; причем чаще всего - это внешние поверхности контроллера;

с набором индивидуальных радиаторов охлаждения отдельных силовых элементов; вторая конструктивная схема требует решения вопроса об организации теплоотвода от индивидуальных радиаторов наружу.

Конструктивная оптимизация силового преобразователя направлена, в первую очередь, на снижение его массы. В значительной степени она зависит от оптимизации схемной, которая имеет непосредственной целью снижение потерь энергии в преобразователе. Для тиристорных преобразователей основные возможности такой оптимизации связаны с ограничением энергии, циркулирующей в контуре искусственной коммутации. Для обеспечения надежного отключения силовых тиристоров при наиболее неблагоприятных условиях - пиковом токе нагрузки, максимальной температуре переходов, малом обратном напряжении и других - приходится увеличивать запас энергии в накопительных элементах контура коммутации. Однако в основных режимах работы, занимающих 95-97 % времени включенного состоянии преобразователя, эта энергия оказывается избыточной. В связи с этим средневзвешенный КПД преобразователя может быть существенно повышен при снижении энергии контура коммутации, когда это допустимо по условиям работы. Для этого существуют, в принципе, два способа: отвод избыточной энергии из контура коммутации: ограничение притока энергии в контур коммутации.

Первый способ осуществляется созданием цепи сброса энергии в тяговую батарею: в схеме (рис. 3.3) это достигается, например, введением вторичной обмотки коммутационной индуктивности LI, замыкаемой через диод на батарею. Таким образом ограничивается максимальное напряжение коммутирующего конденсатора С, которое определяет запас энергии в контуре. Этот способ позволяет повысить средневзвешенный КПД на 15-20 %, а абсолютную величину потерь в наиболее показательном режиме понизить почти в два раза.

Однако более эффективным представляется второй способ снижения потерь энергии в контуре коммутации. Он основан на возможностях управляемого изменения структуры в вентильных преобразователях и реализует некоторые принципы, изложенные в работе. Рассмотрим использование этих возможностей на примере ранее приведенной на рис. 3.3 схемы импульсного преобразователя. В табл. 3.4 было показано (согласно рис. 3.4) наличие двух интервалов перезаряда коммутирующего конденсатора С: t4-t5 и t5 - t6. Эти интервалы времени определяются существованием двух различных контуров перезаряда; причем в первом интервале перезаряд происходит без притока энергии в контур, а во втором интервале конденсатор С подключается к тяговой батарее и от нее поступает добавочная энергия. Так как соотношение рассматриваемых временных интервалов полностью определяется опережением открытия тиристора VA по отношению к открытию тиристора VI, то, управляя этим опережением, можно изменять соотношение интервалов существования различных контуров перезаряда. Крайние случаи - это отсутствие интервала t5 - t6 с подпиткой контура от батареи и полное исключение интервала t4-t5, т. е. максимальное использование подвода энергии от батареи. Для этих крайних случаев изменение потерь в преобразователе оказывается примерно четырехкратным во всем возможном интервале выходных напряжений работающего преобразователя.

Таким образом, изменение структуры контура коммутации позволяет достигнуть значительно большего эффекта (причем более простыми средствами, не требующими никаких усложнений схемы силовой части преобразователя). Достаточно лишь реализовать в системе управления преобразователем несложный алгоритм управления интервалом задержки включения основного тиристора t45 в функции тока нагрузки и температуры основного тиристора, например, вида

(3.18)

Эта функция может быть непрерывной или дискретной, но в любом случае - возрастающей, что обеспечит увеличение энергии контура коммутации при ухудшении условий коммутации.