Elektrische aandrijflijn ACE Oorspronkelijk materiaal: P. de Bruijn Aangevuld en bewerkt door: S van Sterkenburg (2012)
Doel van deze sessies: begrijpen hoe dit werkt!
Koppel-/Vermogenscurve Tesla
Inhoud (globaal) Algemene inleiding Elektromotoren (gelijkstroom, brushless DC, synchrone machine) Vermogenselektronica (chopper/inverter) Energie opslag / supercap Dimensionering aandrijflijn Oefenvraagstukken Lesmateriaal: - deze presentatie - hoofdstuk 1 uit reader elektrische aandrijvingen.pdf (de rest is naslag)
Historie De eerste elektrische auto werd in Nederland gebouwd door prof. Stratingh in 1835!
Historie (vervolg) Rond 1900 bepaalden elektrische taxi s het straatbeeld van onder meer Amsterdam en Berlijn!
Historie (vervolg) Na de Eerste wereldoorlog raken elektrische voertuigen voor wegtransport uit de gratie. De belangrijkste redenen hiervoor zijn: Snelle ontwikkeling (vermogen, actieradius en betrouwbaarheid) van de verbrandings-motor Beperkte actieradius en hoge gewicht van elektrische auto s Uitvinding van de elektrische startmotor Truttig imago!
Historie (vervolg) Op tal van andere vlakken zet elektrische tractie echter wel door. De voornaamste redenen hiervoor zijn de uitstekende regeleigenschappen (gedefinieerd koppel bij stilstand), de hoge betrouwbaarheid en de zero emission. Voorbeelden zijn: Railtransport Scheepvaart (onderzeeboten en vliegdekschepen) Logistiek (kranen en heftrucks)
Historie (vervolg) In de jaren 60 en 70 doet de vermogenselektronica zijn intrede waardoor elektrische regelingen zuiniger, goedkoper en efficiënter worden, ook worden accumulatoren (mede dank zij de ruimtevaart) sterk verbeterd. De eerste oliecrisis en de toenemende zorg om het milieu, wakkeren belangstelling en onderzoek naar alternatieve energie- en transportvormen steeds sterker aan.
Huidige stand van zaken Hybride (of plug in) is hot! Ontwikkeling van efficiënte elektromotoren, omvormers en opslagsystemen is in volle gang. Veel gerenomeerde fabrikanten hebben een hybride of zijn doende er een te ontwikkelen Full electric is in opkomst: denk bv aan de grote belangstelling voor elektrische fietsen, scooters en de elektrische stadsauto
Voorbeelden Hybrides Nissan Leaf Toyota Prius Honda Accord hybrid Opel Ampera
Koppel elektromotoren Koppel werking berust op Lorentz-kracht: F = B * I * l * sin B = m/agnetische inductie [T] I = stroomsterkte door draad [A] l = lengte geleider [m] = hoek tussen stroom en magneet veld http://nl.wikipedia.org/wiki/lorentzkracht
Gelijkstroommotor Typische kenmerk gelijkstroommotor: borstels + commutator zorgen voor omkering van de stroom waardoor teken koppel hetzelfde blijft
Rotor gelijkstroommachine Meerderde commutators zorgen voor een relatief constant koppel. http://chinakingray.en.made-in-china.com/product/iogqohzdkxke/china-grass-machine-rotor.html
Koppel DC-motor T gemiddeld = N * 2 * F lorentz * r * (sin ) gemiddeld = N * 2 * I * B * 2 / * l * r (gemiddelde waarde halve sinus = 2 / ) In bovenstaande formule is alles constant behalve de stroom I, dus: T = k m * I met: k m = koppel constante of machine constante (k m = N * 4 * B * l * r / )
Spanning elektromotor Inductiewet: E = -d / dt = flux = Hoeveelheid magneetveld door een winding = B * A * cos met = hoek tussen B en normaal n van de winding. Winding die in een homogeen veld draait met hoeksnelheid : = B * l * D * cos ( t) E = * B * l * D * sin ( t)
Spanning gelijkstroommotor E = -d / dt Commutators zorgen voor gelijkrichting van de spanning tijdens commuteren.
Spanning gelijkstroommotor Gemiddelde spanning over 1 winding: Flux bij 0 en 180 : =180 : = -B * A = -B* 2 * r * l =0 : = B* A = B* 2 * r * l Fluxverandering bij een halve rotatie: = B* 4 * r * l Tijdsduur halve rotatie: t = T /2 = / E gemiddeld_winding = / t = B* 4 * r * l / ( / ) = B * * 4 * r * l /
Spanning gelijkstroommotor Spanning bij meerdere windingen: Spanning gemiddeld: E = N * E gemiddeld_winding = N * B * * 4 * r * l / In bovenstaande formule is alles constant behalve de hoeksnelheid, dus: E = k m * met: k m = koppel constante (k m = N * 4 * B * l * r / )
Vervangingsschema gelijkstroommotor U k = klemspanning R a = ankerweerstand (weerstand van borstels + koperdraad) L a = zelfinductie coëfficiënt van de rotorspoel
Datasheet gelijkstroommotor Voorbeeld DC-motor datasheet (Maxon) Torque constant = T / I = k m = 8 [mnm/a] Speed constant = n / E = 60* / (2 ) / E = 60 / (2 * * k m ) = 1194 (kleine afrondfout)
Oefening Een maxon 118743 wordt gebruikt als ruitenwismotor. Er geldt: R a = 2.06 [ ] en k m = 0.0235 [Nm/A]. De accuspanning bedraagt 12 [V]. a. Bereken de stroom als de accuspanning in zijn geheel over de motor gezet wordt terwijl de ruitenwissers geblokkeerd worden. b. Hoe groot is het koppel als de ruitenwissers geblokkeerd worden. c. Stel dat alle wrijving opgeteld gelijk is aan 10 [mnm]. Welke stroom loopt dan er dan na het aanlopen? d. Wat is het stationaire toerental van de motor. e. Bereken het toerental als de wrijving toeneemt tot 20 [mnm]. f. Geef in een grafiek de koppel-toerenkromme bij 12 [V]. g. Geef in een grafiek het toerental als functie van de klemspanning bij 10 [mnm].
Aansturing gelijkstroommachine Toerental van een gelijkstroom wordt geregeld door de klemspanning te regelen. Moderne besturing maken gebruik van schakelende voedingen (ook wel chopper of DC-DC converter genoemd). De chopper maakt een variable gelijkspanning uit een constante spanningsbron (bv een accu)
De chopper De chopper is in staat energie terug te voeden in de gelijkstroombron (zgn recuperatief bedrijf) door energie aan de motor (met gekoppeld werktuig) te onttrekken. De chopper kan uitstekend worden opgenomen in en aangestuurd vanuit complexe (computer/ecu-gestuurde) regelsystemen waardoor een perfecte integratie binnen het totale aandrijfsysteem mogelijk is.
Twee typen choppers - Step-Down choppers (SD-chopper). In een step down chopper is de uitgangsspanning lager dan de ingangsspanning (motorsturing) - Step-Up choppers (SU-chopper). In een step up chopper is de uitgangsspanning hoger dan de ingangsspanning (generatorsturing)
Energie van batterij naar motor: de step down chopper
Basisuitvoering SD-chopper Step-down chopper belast met een weerstand IGBT word toegepast bij relatief hoge vermogens (vanaf een paar [kw]) MOSFET wordt toegepast bij relatief lage vermogens (tot een paar [kw]) Beide componenten hebben parallel over de schakelcontacten een body-diode datasheet IRFB4127
Basisuitvoering SD-Chopper De schakelaar (MOSFET / IGBT) wordt met een hoge frequentie in- en uitgeschakeld. De schakelfrequentie ligt in de praktijk van een paar [khz] tot een paar [MHz]. Wanneer de IGBT of MOSFET geleidt (schakelaar gesloten) staat de voedingsspanning V i over de weerstand en loopt er een stroom I o. Wanneer de thyristor uit is (schakelaar geopend) staat er geen spanning over de weerstand en loopt er dus ook geen stroom.
Basisuitvoering SD-Chopper De gemiddelde variable DC-uitgangsspanning (Vdc) is hiermee afhankelijk geworden van de aan tijd van de schakelaar. In formule: V o_gemiddeld = d x V d is de zgn duty-cycle en gedefineerd als t on /T Naarmate de duty-cycle d naar 100% gaat (dus continu aan is) loopt V o_gemiddeld naar V i op.
SD-Chopper als motorsturing Step-down chopper belast met DC-motor De vrijloopdiode beschermt de motorschakeling tegen hoge spanningsopslingering als gevolg van abrupte stroom-afschakeling (bobine-effect). Bij openen van de schakeler zal de stroom afnemen waardoor de spanning over La negatief wordt (U La = L*di/dt.) De negatieve spanning zorgt ervoor dat de diode gaat geleiden.
SD-Chopper als motorsturing Stroom circuit bij open en gesloten schakelaar
SD-Chopper als motorsturing Spanningen en stroom van een SD-chopper (invloed ankerweerstand is verwaarloosd)
Energie van motor naar batterij: de step up chopper
Basisuitvoering SU-Chopper
SU-Chopper Wanneer de schakelaar gesloten is, wordt de bron kortgesloten via de spoel. De stroom neemt dan toe en er wordt (magnetische) energie opgeslagen in de spoel. Wanneer de schakelaar geopend wordt, loopt de stroom via de vrijloopdiode naar de accu. De magnetische energie van de spoel wordt dan gebruikt om de accu bij te laden. De stroom neemt af als de schakelaar open staat. In stationaire toestand geldt: V out,gemiddeld = (1-d) * V i
Halve brug: SU + SD gecombineerd
H-brug: 4 kwadranten bedrijf d = V AB / V i V AB Bedrijf M1 M2 M3 M4 positief motor d 0 0 1 positief generator 0 1-d 0 1 negatief motor 0 1 d 0 negatief generator 0 1 0 1-d
Oefening Een DC-machine is aangesloten op een H-brug (zie figuur). Het verlieskoppel is verwaarloosbaar. Om de motor rechtsom te laten draaien moet de spanning van aansluiting A positief zijn ten opzichte van aansluiting B. a. Bereken de duty-cycle van de vier IGBT s als we willen dat de machine als motor werkt en draait met een toerental van 2000 [rpm] linksom. Het koppel is 70 [Nm]. b. Bereken de duty-cycle van de vier IGBT s als we willen dat de machine als generator werkt en draait met een toerental van 2000 [rpm] linksom. Het koppel is -70 [Nm]. c. Wat is het maximale toerental bij een belasting van 70 [Nm].
Brushless DC motor Een brushless DC-motor is een motor met het magneet in de rotor en de spoelen in de stator. Een brushless DC-motor heeft geen borstels en commutator. Gewone DC-motor Brushless DC-motor source: http://en.wikipedia.org/wiki/electric_motor
Brushless DC-motor A brushless DC-motor consists of: - A magnetic rotor - Three or more statorcoils, which are exited one by one - Sensors which keep track of the rotor position
Brushless DC-motor Animation of brushless DC-motor (the sensors are not given in this figure). Speed quals: n = 60 * f electric source: http://www.freescale.com/webapp/sps/site/overview.jsp?code=wbt_motorbldctut_wp
Brushless DC-motor - Animation - Nanotec
Brushless DC-motor - Animation - Nanotec
Brushless DC-motor - Animation - Nanotec
Brushless DC-motor - Animation - Nanotec
Brushless DC-motor - Animation - Nanotec
Brushless DC-motor - Animation - Nanotec
Connections of a brushless DC-motor to a EM-106 BRUSHLESS DC-MOTOR CONTROL UNIT (foto gecopieerd van: http://www.electromen.com/pdf/en_em- 106.pdf)
Synchronous motor A synchronous motor is a rotating field machine. The figure below shows the magnetic field of one coil in a rotating field machine.
Synchronous motor A rotating field machine has three coils, which are divided across the stator. he arrows in the rotor indictate the direction of the magnetic field, caused by a current in the three coils in a rotating field machine. The three coils are called the U, V and W-coil
Synchronous motor The three coils in a rotating field motor are connected to a three phase system: I U (t) = Ȋ * sin ( t) I V (t) = Ȋ * sin ( t-120 ) I W (t) = Ȋ * sin ( t+120 )
Synchronous motor The figure below shows the magnetic field of the coils on four different moments when the coils are connected to a three phase system.
Synchronous motor A 2-pole synchronous motor has a magnetic rotor with also 2 poles. The animation below shows the rotation of a magnetic rotor in a rotating field machine with 2 poles. n [rpm] = 60 * f [Hz]
Synchronous motor The figure below shows the construction of a rotating field machine with two coils for each phase (2 pole-pairs)
Synchronous motor The rotor of a 4-pole synchronous machine also has 4 poles. The animation below shows the rotation of a magnetic rotor in a rotating field machine with four poles. n [rpm] = 60 * f [Hz] /2
Synchronous motor The speed of a synchronous motor depends on number of poles and frequency of stator current: n = 120 * f electric / p (p = number of poles) 2-poles: n = 60 * f electric 4-poles: n = 30 * f electric 6-poles: n = 20 * f electric etc.
Synchronous motor The torque depends on strength of magnetic field of rotor and stator and angle between them. It applies: T = c 0 * B rotor * B stator * sin = angle between rotor and stator field.
Synchronous motor Magnetic stator field is proportianal to stator current (B stator = c 1 * I stator ) T = c 0 * B rotor * B stator * sin = c 0 * c 1 * B rotor * I stator * sin Maximum value of torque arises when = 90. T = c 0 * c 1 * B rotor * I stator Maximum torque of a synchronous machine is directly related to the maximum stator current. The value of I max depends mainly on two factors: a. Cooling. The better the cooling, the higher the current and maximum torque are allowed to be. b. The maximum allowable or available voltage. You need a high voltage for a high current and speed and this can also be a limiting factor.
Synchronous motor Induction law: U = N * d /dt The sum of the stator and rotor field results in a sinewave flux throught the statorcoils. = max * sin ( t + ) U = * N * max * cos ( t + ) The formula above shows that the voltage is proportianate to and so to n (n = 60 * / (2 ) ). The voltage across is motor is always limited to some maximum value. This maximum value can be: - the value determined by the design of the motor (the electrical isolation of the motor) - the maximum value of the available voltage (for instance the battery voltage). In both cases, it must apply: * N * max U max
Synchronous motor It must apply: * N * max U max max U max / ( * N) At relatively high speeds, max must be reduced in order to limit the voltage. This causes a decrease of the maximum torque, because torque and flux are proportional. The formula above shows that the torque reduction is reversely proportional to the speed.
Synchronous motor The figure below shows the maximum torque of a Siemens Drive Motor 1PV5135-4WS24 (efficiency = 95 [%]). datasheet brusa
Asynchronous machine De asynchrone machine lijkt qua constructie op de synchone machine; - Stator is exact hetzelfde (magnetische draaiveld) - Rotor bestaat uit kortgesloten spoelen. Verschijnselen die leiden tot koppel: Draaiveld stator veroorzaakt inductiespanning in rotor Inductiespanning zorgt voor stroom in kortgesloten rotorspoel Lorentzkracht zorgt voor koppel op rotor
Koppel-toeren-kromme asynchrone machine 1) n = n draaiveld : Rotor draait even hard als draaiveld geïnduceerde spanning = 0[V] Irotor = 0 T = 0 [Nm] 2) n = zeer groot. Impedantie rotorspoel is zeer groot (Z = R + j L) Hoek tussen stator- en rotorveld is 180 (90 vanwege U=d /dt plus 90 vanwege inductieve impedantie) T gaat naar 0 [Nm] 3) Als n in de buurt ligt van n draaiveld verloopt het koppel lineair met het toerental. Dit is ook meestal het werkgebied van de machine.
3 phase inverter Figure below shows the scheme of a three phase inverter. It consists of three half bridges. Each half bridge is connected to one of the statorcoils.
3 phase inverter The gates of each branch are controlled complementary. When the upper IGBT is switched on, the lower one is switched off and reversely. In this way, a square wave output signal is generated.
3 phase inverter To generate a sine-wave signal, the pulswidth of the gatesignals are modulated according to a sine-wave.
Frequency converter A frequency converter is an inverter combined with a control system.
Frequency converter A frequency converter usually has the following input and output: - Connection for a throttle are brake - Connection for ignition key -Temperaturesensors (to watch the motortemperature) - Emergency switches - Forwared and backward drive switches - Position encoders (for controlling the motor) - Several relais outputs (for instance to switch off the battery in case of a failure) - Several digital outputs (i.e. for indication signals on the dashboard). - Communication ports (CAN, RS232, USB)
Frequency converter (curtis 1234 motor controller) Curtis
Exercise The table above shows the characteristics of a BRUSA Hybrid Synchronous motor (HSM1-6.17.12 C01). a. What is the nominal speed? b. What frequency must be applied to the stator coils to obtain a speed of 4000 [rpm]?
The figure above shows the maximum torque as a function of the speed. The graphs apply for a DC-bus voltage of 360V. a. Calculate the maximum continuous torque (S1) at a DC-bus voltage of 240V. b. Estimate the maximum continuous power at a DC-bus voltage of 240V.