Slayt 1 - Abdullah Demir

Transkript

HİBRİD VE ELEKTRİKLİ ARAÇLAR
ELEKTRİK MOTORLARI
Yrd. Doç. Dr. Abdullah DEMİR
«Her tercih bir vazgeçiştir»
GENEL HATIRLATMA
What is the difference between an AC motor and a DC motor? / July 29, 2011 | Q&A
While both A.C. and D.C. motors serve the same function of converting
electrical energy into mechanical energy, they are powered, constructed and
controlled differently. 1 The most basic difference is the power source. A.C.
motors are powered from alternating current (A.C.) while D.C. motors are
powered from direct current (D.C.), such as batteries, D.C. power supplies
or an AC-to-DC power converter. D.C wound field motors are constructed
with brushes and a commutator, which add to the maintenance, limit the
speed and usually reduce the life expectancy of brushed D.C. motors. A.C.
induction motors do not use brushes; they are very rugged and have
long life expectancies. The final basic difference is speed control. The
speed of a D.C. motor is controlled by varying the armature winding’s
current while the speed of an A.C. motor is controlled by varying the
frequency, which is commonly done with an adjustable frequency drive
control. 2
1.Saeed Niku. Introduction to Robotics: Analysis, Control, Applications. 2nd ed. John Wiley & Sons, Inc., 2011. Page 280 ↩
2.Robert S. Carrow. Electrician’s technical reference: Variable frequency drives. Delmar Thomson Learning, 2001. Page 45 ↩
Published by Ohio Electric Motors: http://www.ohioelectricmotors.com/what-is-the-difference-between-an-ac-motor-and-a-dc-motor673#ixzz2ezsrNvI3
DOĞRU AKIM
ÖN BİLGİ
Doğru Akım: Zamanla yönü ve şiddeti
değişmeyen akıma doğru akım denir. İngilizce
“Direct Current” kelimelerinin kısaltılması
“DC” ile gösterilir.
DC
üreten
kaynaklar
şu
şekilde
sıralanabilir:
Pil: Kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine
dönüştüren araçlara pil adı verilir.
Akü: Kimyasal yolla elektrik enerjisi üreten
araçtır.
Dinamo: Hareket enerjisini DC elektrik
enerjisine çeviren ünitelerdir.
Doğrultmaç devresi: Alternatif akım
elektrik enerjisini DC elektrik enerjisine
çeviren devrelerdir.
Güneş pili: Güneş enerjisini DC elektrik
enerjisine çeviren elemanlara güneş pili
denir.
Doğru akımın yaygın olarak
kullanıldığı alanlar:
•
Haberleşme
cihazlarında
(telekomünikasyonda)
•
Radyo, teyp, televizyon, gibi
elektronik cihazlarda
•
Redresörlü
kaynak
makinelerinde
•
Maden arıtma (elektroliz) ve
maden
kaplamacılığında
(galvonoteknik )
•
Elektrikli taşıtlarda (tren,
tramvay, metro)
•
Elektro-mıknatıslarda
•
DC elektrik motorlarında
ALTERNATİF AKIM
Alternatif Akımın Tanımı
Zaman içerisinde yönü ve şiddeti belli bir
düzen içerisinde değişen akıma alternatif
akım denir.
Alternatif Akımın Elde Edilmesi
Alternatif akım ya da gerilimin elde
edilmesinde alternatör denilen aygıtlar
kullanılır.
Not: Bilindiği gibi DC akım/gerilim değeri
sabittir. Örneğin 1 V DC dediğimizde DC
gerilimin 1 V olduğu anlaşılmaktadır. Fakat
AC’de akım/ve gerilim değerleri sürekli
değişmektedir. Bu yüzden AC’yi ifade etmek
için çeşitli değerler kullanılmaktadır.
Bunlar ani değer, maksimum (tepe) değer,
tepeden tepeye değer, ortalama değer ve
etkin değerdir.
Frekans:
Frekans,
sinüs
sinyalinin
bir
saniyede
tekrarlanan saykıl sayısıdır.
Periyot:
Bir
saykılın
gerçekleşmesi
için
geçen
süreye periyot denir. Periyot
birimi saniye (s) dir ve “T” ile
gösterilir.
TEMEL BİLGİLER – Alternatif Akım
Sinüs dalgasında periyot
Sinüs dalgasında alternans
ELEKTRİK MOTORLARI
Senkron ve Asenkron Kavramı
Alternatif
akım
makinelerinin
isimlendirilmesi ürettikleri döner manyetik
alanın (stator manyetik alanı), döner
mekanik kısım (rotor) ile eş zamanlı oluşu
yada olmayışına göredir.
Senkron: Uyumlu Olan, Eş zamanlı olan
Asenkron: Uyumlu Olmayan, Eş zamanlı
olmayan
Senkron Makine: Stator manyetik alanı
döner kısım devrine eşit olan makine.
Asenkron Makine: Stator manyetik alanı
döner kısım devrinden her zaman büyük
olan makine.
GÜÇ KONTROL SİSTEMLERİ
Elektrikli araç teknolojileri içerisinde güç elektroniği devreleri önemli bir
yer tutmaktadır. MOSFET (metal oxide semiconductor field effect
transistor), IGBT (Insulated gate bipolar transistor), IGCT (Insulated gate
controlled thyristor) ve MCT (mos controlled thyristor) gibi yarı iletken
anahtarların geliştirilmesi ile elektrik sistemlerinin kontrolünde önemli
gelişmeler sağlanmıştır. Tahrik sisteminin kontrolü, üretilen AC gerilimin
DC’ye çevrilmesi, yakıt pili çıkış geriliminin düzenlenmesi, akü şarjının
uygun yöntemlerle sağlanması vb., klasik güç elektroniği devrelerinin çeşitli
kontrol yöntemleri kullanılarak kontrol edilmesiyle başarılmaktadır.
Elektrikli araçlarda kullanılan güç kontrol sistemleri, klasik güç elektroniği
devrelerinden oluşmaktadır. Bu devreler 4 ana başlık altında incelenebilir;
• Doğrultucular (AC/DC)
• Çeviriciler (DC/DC)
• Eviriciler (DC/AC)
• Kıyıcılar (AC/AC)
AC/AC kıyıcılar, elektrikli araçlarda uygulama alanına sahip olmadığından
bu bölümde incelenmeyecektir.
"ELEKTRİKLİ ARAÇLAR", TÜBİTAK – Marmara Araştırma Merkezi Enerji Sistemleri ve Çevre Araştırma Enstitüsü, Eylül 2003
Doğrultucular: Alternatif gerilimin doğru gerilime dönüştürülmesinde
doğrultucular kullanılmaktadır. Doğrultucular kontrollü ve kontrolsüz olmak
üzere 2 gruba ayrılmaktadırlar. İsimlerinden de anlaşılacağı gibi kontrolsüz
doğrultucularda çıkış gerilimi kontrol edilmemekte ve ortalama çıkış
gerilimi AC kaynaktaki gerilim değişimlerinden ve yükten etkilenmektedir.
Kontrollü doğrultucularda ise kullanılan yarı iletken anahtarların
anahtarlama açılarının kontrol edilmesiyle çıkış gerilimi ayarlanabilir sabit
değerlerde tutulabilmektedir.
Kontrolsüz Doğrultucular: Kontrolsüz doğrultucularda, yarı iletken
anahtar olarak diyotlar kullanılmaktadır. Günümüzde en yaygın olarak
kullanılan doğrultucu türleri köprü doğrultuculardır.
Kontrollü Doğrultucular: Kontrollü doğrultucularda, anahtarlama için
kontrollü yarı iletken anahtarlar kullanılır.
Kontrollü doğrultucularda, anahtarların tetikleme açılarının kontrolü ile
çıkış gerilimi sabit bir değerde tutulur. Bunun için çeşitli darbe genişlik
modülasyonu (PWM) teknikleri kullanılmaktadır.
Doğrultucuların Elektrikli Araçlarda Kullanımı
Hibrid elektrikli taşıtlarda kullanılan bara gerilimi DC’dir. Bunun başlıca nedeni,
kullanılan elektronik devrelerde senkronizasyon sorunu yaşanmaması, kontrol
kolaylığı ve verimliliğin arttırılmasıdır. Ancak DC elektrik makinaları bakım
gereksinimi ve ömürlerinin kısa olması gibi nedenlerle hibrid elektrikli araç
uygulamalarında tercih edilmemektedir. HEA’larda elektrik enerjisi üretimi
genellikle AC çıkışlı generatörler ile sağlanır. Üretilen elektrik enerjisi DC baraya,
doğrultucu devreleri ile bağlanır.
Doğrultucuların, EA’larda bir diğer kullanım alanı da akü şarj devreleridir. Akülerin
şebekeden şarj edilebilmesi için kullanılan güç elektroniği sisteminin bir parçası da
doğrultucu devreleridir. Şebeke gerilimi bir kontrolsüz doğrultucu ile doğrultulur.
Daha sonra bir DC/DC çevirici ile uygun şarj algoritması kullanılarak akü şarj edilir.
Şekil 1: Akü şarj sistemi
Çeviriciler: DC-DC çevirici olarak da tanımlanan çeviriciler çoğunlukla
regüle edilmemiş DC gerilim kaynağının, kontrollü bir biçimde sabit DC
gerilime dönüştürülmesi için kullanılırlar. Regüle edilmemiş DC gerilim,
genellikle bir kontrolsüz doğrultucu ile sağlanır. Aküler ve yakıt pilleri
de regüle edilmemiş DC gerilim kaynağıdır.
DC-DC çeviriciler anahtarlamalı güç kaynakları ve DC motor sürüş
sistemlerinde oldukça geniş kullanım alanına sahiptir.
Literatürde alçaltıcı (buck) ve yükseltici (boost) olmak üzere 2 temel
çevirici topolojisinden söz edilmektedir. Alçaltıcı-yükseltici, flyback,
forward çeviriciler, cuk çevirici, yarım körü çevirici, tam köprü çevirici
ve sepic çevirici bu iki temel devrenin kombinasyonları ile türetilmiştir.
Bahsi geçen tüm çeviricilerin tek, çift ve dört bölgede çalışan
varyasyonları bulunmaktadır.
Alçaltıcı Çevirici: İsminden de anlaşılacağı üzere alçaltıcı çevirici DC giriş
geriliminden daha düşük ortalama DC gerilim üretir.
Endüktans yük akımındaki dalgalanmayı, kondansatör ise çevirici çıkış
gerilimindeki dalgalanmayı azaltmak için kullanılır.
Anahtar iletime geçtiğinde yük endüktans üzerinden beslenir.
Yükseltici Çevirici: Yükseltici çevirici kullanılarak ortalaması giriş geriliminden
daha yüksek olan çıkış gerilimi elde edilir. Anahtar iletime geçtiğinde endüktans
üzerinde enerji depolanmaya başlanır ve kesime geçtiğinde kaynak ve endüktans
geriliminin toplamı diyot üzerinden yükü besler.
Çeviricilerin Kontrolü: DC-DC çeviricilerde ortalama DC çıkış gerilimi, giriş
gerilimindeki dalgalanmaya veya yükteki bir değişmeye rağmen istenilen bir
değerde sabit tutulmalıdır. Çeviriciler, DC gerilimi bir seviyeden diğerine
çevirmek için bir veya birden fazla yarı iletken anahtar içerirler. DC-DC
çeviricilerde ortalama DC çıkış gerilimi kullanılan bu anahtarların iletim ve kesim
sürelerinin değiştirilmesiyle kontrol edilir. En yaygın kontrol yöntemi, sabit bir
anahtarlama frekansında, anahtarın iletim süresinin ayarlanmasıdır. Darbe
genişlik modülasyonu (PWM) adı verilen bu yöntemde, anahtarın iletim süresinin
anahtarlama periyoduna oranı değiştirilir.
Çeviricilerin Hibrid Elektrikli Araçlarda Kullanım Alanları:
DC-DC çeviriciler, HEA’larda farklı DC gerilim seviyesine sahip sistemlerin birbirine
bağlanması ve DC motor kontrolü olmak üzere iki amaçla kullanılabilirler.
Farklı gerilim seviyesine sahip DC sistemler yakıt pili, akü grubu veya alçak gerilim
beslemesine ihtiyaç duyan elektronik devreler olabilir.
Bara gerilimi, kullanılan akülerin birbirine seri bağlanması ile gerçekleştirilebilir.
Örneğin 25 adet 12 V’luk kurşun asit akünün seri bağlanması ile 300 V’luk bara
gerilimi oluşturulur. Bu durumda akü grubu için DC-DC çevirici kullanmaya gerek
olmayabilir. Ancak yakıt pili sistemlerinin çıkış gerilimi genellikle bu seviyenin altında
olduğundan, baraya güç yönetim sistemi adı da verilen DC-DC çevirici aracılığı ile
bağlanır.
Farklı seviyedeki DC gerilimlerin
paralel bağlanması
Çeviricilerin Hibrid Elektrikli Araçlarda Kullanım Alanları (dvm.)
Çevirici kullanımına bir diğer neden de gerek akü gerekse de yakıt pilinin ideal
gerilim kaynakları olmaması yani uç gerilimlerinin yüke ve diğer bazı koşullara göre
değişim göstermesidir. Regüle edilmemiş güç kaynaklarının birbirine bağlanması
kararlı olmayan bir yapı oluşmasına neden olur.
HEA’larda akü grubu, çeşitli yol koşullarında sistemi besler ve uygun durumlarda
tekrar şarj edilir. Bu işlem için kullanılacak çevirici çift yönlü çalışabilmeli veya iki
ayrı çevirici kullanılmalıdır. İki çevirici kullanımından ağırlık ve maliyet gibi
nedenlerle kaçınılmaktadır.
DC-DC çeviriciler DC motor sürücüsü olarak ta kullanılmaktadır. Bu çeviriciler bir, iki,
üç ve dört bölgede çalışabilen sürücüler olarak sınıflandırılırlar. Birinci bölge motor
çalışma için kullanılır ve akımın akış yönü kaynaktan yüke doğrudur. İkinci bölge ise
geri kazanımlı frenleme içindir ve elektrik makinası generatör olarak çalışarak
akımın kaynağa doğru akmasına neden olur. EA’larda geri kazanımlı frenleme sürüş
menzilinin arttırılması için çok önemlidir. Bu nedenle EA’larda DC motor sürücüleri
en azından iki bölgede çalışabilmelidir. Ters yönde çalışmanın mekanik anahtarlar
yerine elektronik kontrolle yapılmasının istenmesi halinde dört bölgede çalışabilen
çeviriciler kullanılır.
Eviriciler: Eviriciler DC giriş gerilimini AC’ye çeviren güç
elektroniği devreleridir. Elektrikli taşıt tahrik sistemlerinde, 3
fazlı gerilim beslemeli PWM (Darbe genişlik modülasyonu)
eviriciler asenkron, sürekli mıknatıslı motor kontrollerinde
kullanılmaktadır. Günümüzde anahtarlama elamanı olarak
çoğunlukla IGBT’ler tercih edilmektedir.
Eviriciler asenkron, senkron, sürekli mıknatıslı senkron motor
hız kontrolünde kullanılabilir. Bu makinaların kontrolünde
evirici çıkışı sinüzoidaldir. Sürekli mıknatıslı fırçasız doğru akım
makinası kontrolünde ise fazlar kare dalga ile beslenir.
GÜÇ ÜRETİM VE TAHRİK SİSTEMLERİ
Tümü-elektrikli ve HEA’larda kullanılan tahrik sistemleri elektrik motoru, güç
elektroniği ve kontrol ünitelerinden oluşur.
HEA’lardaki elektrik tahrik sistemlerinin seçimi, esas olarak üç faktöre bağlıdır.
Bunlar; sürücünün beklentileri, araç kısıtları ve enerji kaynaklarıdır. Sürücünün
beklentileri; ivmelenme, en yüksek hız, tırmanma kabiliyeti, frenleme ve menzil
özelliklerini içeren sürüş profili ile tanımlanır. Araç kısıtları aracın çeşidine, araç
ağırlığına ve aracın taşıdığı yüke bağlıdır. Enerji kaynakları ise aküler, yakıt
pilleri, süperkapasitörler, volanlar ve değişik hibrid kaynaklarla ilgilidir.
Geçmişte kontrolünün kolay olması nedeniyle tercih edilen DC motor türleri,
günümüzde güç elektroniği alanında yaşanan gelişmeler sonucunda yerlerini AC
motorlara bırakmaktadır. Fırça-kolektör bakım gereksinimi DC motor
kullanımının azalmasındaki en önemli faktördür.
Güç elektroniği ve kontrol teknolojilerinde gelinen noktada, asenkron motor hız
kontrolü problem olmaktan çıkmış ve endüstride oldukça yaygın olarak
kullanılan bu motor EA’larda kullanım imkanına kavuşmuştur. Özellikle kısa
devre kafesli asenkron motorlar, üretimin kolaylığı, maliyet avantajı ve sağlam
yapısı nedenleri ile tercih edilmektedir.
ELEKTRİK MOTORLARI
Elektrikli araç tahrik sistemlerinde başlıca 4 elektrik motoru
kullanılmaktadır.
• DC motor
• Asenkron motor
• Sürekli mıknatıslı motor
• Anahtarlamalı relüktans motoru
• Induction machines
• permanent magnet (PM)
synchronous machines
• PM brushless DC machines and
• switched reluctance machines
(SRMs)
EV’lerde Kullanılan Elektrik Motorları
• Asenkron Motor (Induction Motor)
• Sürekli Mıknatıslı Fırçasız Senkron
Motor (BLSM)
• Sürekli Mıknatıslı Fırçasız DA Motoru
(BLDCM)
• Anahtarlamalı Relüktans Motoru (SRM)
Özgür ÜSTÜN, Elektrikli Otomobiller, İstanbul Teknik Üniversitesi
ELEKTRİK MOTORLARI
Advances in electric machines, along with progress in power
electronics, are the key enablers for electric, hybrid electric, and plugin hybrid electric vehicles (HEVs). Induction machines, permanent
magnet (PM) synchronous machines, PM brushless DC machines,
and switched reluctance machines (SRMs) have all been considered
in various types of vehicle powertrain applications [1–20]. Brushed
DC motors, once popular for traction applications such as in
streetcars, are no longer considered a proper choice due to the bulky
construction, low efficiency, the need for maintenance of the
brush and commutator, high electromagnetic interference (EMI),
low reliability, and limited speed range.
When using electric motors for powertrain applications, there are a
few possible configurations. Today’s electric motors, combined with
inverters and associated controllers, have a wide speed range for
constant torque operations, and an extended speed range for constant
power operations, which make the design of the powertrain much
easier.
Chris Mi, M. Abul Masrur, David Wenzhong Gao, “Hybrid Electric Vehicles - Principles And Applications With Practical Perspectives”, ISBN 978-0-470-74773-5, 2011.
ELEKTRİK MOTORLARI
Depending on the configuration of the hybrid powertrain, the
design and selection of electric motor drives can also be different.
For example, for series hybrid vehicles, the powertrain motor
needs to be able to provide the required torque and speed for
all driving conditions. Hence, the size of the motor will be fairly
large, usually rated at 100 kW or more for passenger cars. A PM
motor or an induction motor is the preferred choice. For mild
and micro hybrids, only a small-size motor of a few kilowatts is
required. Therefore the motor can be a claw pole DC motor, or a
switched reluctance motor.
Traditional automatic transmission or continuous variable
transmission (CVT) used in conventional cars are no longer
required in electric vehicles (EVs) and many HEVs. However, a
fixed gear ratio speed reduction is often necessary. This is due to
the fact that a high-speed motor has smaller size and less weight
than a low-speed machine. A two-speed automatic transmission
may be beneficial in saving vehicle energy consumption.
DOĞRU AKIM MOTORLARI
DC motorlar, bir manyetik alan içerisinde bir iletkenden akım geçirilmesi
sonucunda, o iletkene kuvvet etki etmesi prensibiyle çalışırlar. DC
motorlarda manyetik alanın oluşturulması için statorda bir alan sargısı ve
rotorda da dönme hareketinin sağlanması içinde bir endüvi sargısı
bulunur. DC gerilim dönen kısma da uygulandığından fırça kolektör
düzeneği kullanılmaktadır. Bu düzenek DC motorun bakım gereksinimini
arttırmakta ve sanayide olduğu gibi EA’larda da kullanımının azalmasına
neden olmaktadır.
DC motorlar alan sargısının türüne göre serbest uyarmalı, seri
uyarmalı, paralel uyarmalı ve kompund uyarmalı olmak üzere 4’e
ayrılırlar. Şekilde DC motor türlerinin şematik resimleri görülmektedir.
Serbest uyarmalı DC motorlarda, uyarma sargısı ve besleme sargısı
elektriksel olarak birbirinden bağımsız olan iki kaynaktan beslenir. Seri
uyarmalı DC motor da uyarma sargısı ve endüvi sargısı birbirine seri,
paralelde ise paralel olarak bağlanmıştır. Kompund motor bu iki türün
birleştirilmesiyle elde edilir.
Kompund motorlar ise seri ve paralel motorun kombinasyonudur.
Uyarma sargılarının birbirine göre ters veya düz sarılması ile farklı
karakteristikler gösteririler. Hız kontrolü, endüviye uygulanan gerilimin
arttırılması veya uyarma sargısından akan akımın azaltılması ile sağlanır.
Ters yönde çalışma için ise endüvi sargısı ya da uyarma sargısından birine
uygulanan gerilim yön değiştirilmektedir.
DC makinalar kolay kontrol edilebilmesi, moment ve akı kontrolünün
bağımsız olarak sağlanabilmesi ve yerleşmiş üretim teknolojisi gibi
üstünlüklerine rağmen, yüksek bakım gereksinimine yol açan fırça
aşınmaları, düşük nominal hız, komütatör nedeniyle oluşan yüksek
elektromanyetik girişim, düşük özgül güç oranı (W/kg) ve düşük verimlilik
gibi dezavantajları vardır.
EA’larda tahrik için DC motor kullanılması durumunda, hız kontrol
bölgesinin arttırılabilmesi için endüvi kontrolü ve alan kontrolü
birleştirilmelidir.
ASEKRON MOTORLAR
Dışta AC gerilimin uygulandığı stator sargıları, içte ise akım taşıyan
iletkenlerin bulunduğu rotordan oluşur. Stator sargısına uygulanan 3 fazlı
AC gerilim döner manyetik alan oluşturur. Bu manyetik alan rotorda
gerilim endükler ve rotor sargılarından akım akmaya başlar.
Asenkron motorun iki türü bulunmaktadır:
• Kısa devre kafesli asenkron motor
• Bilezikli asenkron (rotoru sargılı) motor
Gerilim/frekans (V/F) oranının sabit tutulması prensibine dayanan klasik
asenkron motor hız kontrol yöntemine skalar kontrol adı verilir.
Asenkron motor sürekli hal devre eşitlikleri temel alınarak
geliştirildiğinden, dinamik durumlarda ve düşük hızlarda zayıf
performans gösterir. EA’larda motor sürücü performans gereksinimleri,
skalar kontrol yöntemin ile sağlanamayacak kadar zorludur. Bunun
yerine çoğunlukla vektör kontrol yöntemi kullanılır. Vektör kontrol
yöntemi, motora uygulanan gerilimin genliği ve faz açısının kontrolünü
içerir.
ASEKRON MOTORLAR
ASEKRON MOTORLAR
KISACA: ASEKRON MOTORLAR
•
•
•
•
•
•
•
•
Basit Yapı
Kolay Üretim
Ucuzluk
Oturmuş teknoloji
Moment üretim kapasitesi orta düzeyde
Göreli olarak yüksek ısınma
Geri kazanım özelliği orta düzeyde
Örnek uygulama: TeslaEV
FIRÇASIZ SENKRON MOTOR
Fırçasız Senkron Motor
Fırçasız Doğru Akım Motoru
FIRÇASIZ SENKRON MOTOR
•
•
•
•
•
•
Fırçasız Senkron Motor
Fırçasız Doğru Akım Motoru
Kolay Üretim (?)
Mıknatıs montajı –mıknatıslama (IPM, SM)
Pahalı (Çin mıknatıs kotası)
Moment üretim kapasitesi yüksek düzeyde
Geri kazanım özelliği yüksek
Uygulama örnekleri: Nissan Leaf, Toyota
Prius, BMW …
SÜREKLİ MIKNATISLI MOTORLAR
Manyetik alan yaratmak için uyarma sargılarının yerine mıknatıs
kullanılan motorlardır. Bu yöntem, rotor bakır kayıplarını ve uyarma
devresi bakım gereksinimini ortadan kaldırır.
Sürekli mıknatıslı motorlar (SM) genellikle 2 gruba ayrılırlar:
• SM Senkron makinalar: Bu makinalar, asenkron makinalardaki gibi
düzenli olarak dönen stator alanına sahiptir.
• Kare Dalga SM makinalar: Fırçasız DC makina olarak da adlandırılırlar.
Stator sargıları ayrık zamanlarda kare dalga ile beslenirler.
Sürekli mıknatıslı makinalarda çoğunlukla ferritler, samaryum kobalt
(SmCo) ve neodmiyum-demir boron (NdFeB) olmak üzere 3 tip mıknatıs
kullanılır. SM makinalar için en büyük tehlike, yüksek ısı ve yük
koşullarının, mıknatısların özelliklerini kaybetmelerine neden
olabilmesidir. Bunu için SM makina tasarımında mıknatıs korunmasına
yönelik uygun önlemler alınır.
SÜREKLİ MIKNATISLI MOTORLAR
Aynı güç oranında, sürekli mıknatıslı
motorun boyutları asenkron motora
göre daha küçüktür. Rotor bakır
kayıpları olmaması soğutma açısından
SM motorlara avantaj sağlamaktadır.
Buna karşın asenkron motor fiyat
açısından
SM
motora
üstünlük
sağlamaktadır.
Sürekli mıknatıslı senkron motorun hız
kontrolünde vektör kontrol yöntemi
kullanılabilir. Motor sürekli senkron
hızda döndüğünden vektör kontrolün
uygulanmasını
kolaylaştırmaktadır.
Ancak SM senkron motor hız
kontrolünde
yüksek
çözünürlüklü
pozisyon sensörü kullanılmalıdır.
ANAHTARLAMALI RELÜKTANS MOTOR
Anahtarlamalı relüktans makinasının (SRM) en belirgin özelliği
rotorunda mıknatıs veya sargı olmaması ve statorunda bağımsız
faz sarımlarının olmasıdır. Rotor ve stator, ince manyetik çelik
tabakaların üst üste konulmasıyla oluşturulur.
Anahtarlamalı relüktans motorları basit yapı ve düşük üretim
maliyeti avantajlarına sahiptirler ve elektrikli araç tahrik
sistemi için moment-hız karakteristiğini karşılamaktadırlar.
SRM kayıplarının çoğunun statorda oluşması, soğutma
açısından kolaylık sağlamaktadır.
Yapısındaki basitliğine karşın, tasarım ve kontrolünde basitlik
içermez. Kutup uçlarındaki şiddetli doyma ve kutupların saçak
etkisinden dolayı, tasarım ve kontrolü zor ve karmaşıktır. Aynı
zamanda, genellikle akustik gürültü problemi gösterirler.
SRM’nin en önemli dezavantajlarından biride moment
karakteristiğindeki dalgalanmadır.
ANAHTARLAMALI RELÜKTANS MOTOR
•
•
•
•
•
•
•
Çok Basit Yapı
Kolay Üretim
Ucuz
Moment üretim kapasitesi orta düzeyde
Moment dalgalılığı ve yüksek gürültü
Geri kazanım özelliği düşük
Akademik merak konusu
Klasik ICE Teknolojisi ve Elektrik Motoru
Klasik ICE Teknolojisi ve Elektrik Motoru
KIYASLAMA
KIYASLAMA (dvm.)
KIYASLAMA (dvm.)
Table: Typical Electric Motors 20 – 200 kW Parameters
KIYASLAMA (dvm.)
Table: Electric Motors Properties Comparison
KIYASLAMA (dvm.)
Table 1. BEV and PHEV parameters comparison
ELEKTRİK MOTORLARI-ÖRNEKLER
Üretici Firma
Alternatif 1
UQM
Alternatif 2
UQM
Alternatif 3
Ansaldo
Alternatif 4
Ansaldo
Alternatif 5
Solectria
Alternatif 6
Enova
Model Numarası
SR 218N
SR 286
A1H207C
A1H256B
AC55
EDM90
Tip
Sürekli Güç [kW]
Maksimum Güç [kW]
Sürekli Tork [Nm]
Maksimum Tork [Nm]
Maksimum Hız [rpm]
Maksimum Verim [%]
Çap [mm]
Uzunluk [mm]
Ağırlık [kg]
Kontrolcü Ağırlığı [kg]
Kontrolcü
Boyutları
[mm]
Voltaj [VDC]
Fırçasız PM
30
75
150
240
8000
94
280
216
40
15,9
380x365x11
9
250-400
Fırçasız PM
55
100
550
5000
90
405
241
86
15,9
380x365x11
9
250-400
H
Asenkron
30
90
300
500
130
14
Asenkron
34
78
55
369
8000
95
343
447
106
14,7
430x330x145
420x320x180
450x235x240
606x518x201
260-300
300-600
100-400
250-425
235
391
61
10
326x212x11
5
185-400
E
H
E
H
E
--
8.6 s
--
3.5 s
--
27 s
11%
29%
12%
23%
11%
15%
10 km/h @
36 s
5 km/h @
32 s
10 km/h @ 31
s
5 km/h @ 27
s
10 km/h @ 40
s
10 km/h @
27 s
9s
5s
10 s
Tırmanma Kabiliyeti
% 15lik Egim [E/H]
%15 lik Eğimde 10km/h
Hıza Çıkma Süresi [s]
Maksimum Tırmanma
Kabiliyeti
Maksimum Eğimde
İvmelenme Zamanı [s]
Düz Yolda 40km/h Hıza
Çıkana Kadar Geçen
Zaman [s]
10 s
4s
Asenkron
30
60
130
260
9000
Asenkron
70
140
220
450
9000
230
400
80
14
Alternatif 7
MES
MES
200250
asenkron
30
94,8
100
239
10000
270
362
65
35
9000
7.2 s
EK OKUMA
VE
İNCELEMELER
OKUMA PARÇASI: ASEKRON MOTORLAR
Induction Motor (Asenkron Motor) Drives
Induction motors are popular choices for traction applications
due to their robust construction, low cost, wide field
weakening range, and high reliability. Especially for EVs,
PHEVs, and HEVs that requires a high-power motor, induction
motors can provide more reliable operation than other types of
electric motors [21–37]. However, when compared to PM
motors, induction motors have lower efficiency and less
torque density.
Typical induction motors used for traction applications are
squirrel cage induction motors. An inverter is used to control
the motor so that the desired torque can be delivered for a given
driving condition at a certain speed. Advanced control
methodologies, such as vector control, direct torque
control, and field-oriented control, are popular in induction
motor control for traction applications.
Principle of Induction Motors
The basic structure of an induction machine is shown in Figure 1. The two main parts of an
induction motor are the stator (which houses the winding) and the rotor (which houses the
squirrel cage). Both stator and rotor are made out of laminated silicon steel with thickness of
0.35, 0.5, or 0.65 mm. The laminated steel sheets are first stamped with slots and are then
stacked together to form the stator and rotor, respectively. Windings are put inside the stator
slots while the rotor is cast in aluminum.
There are some additional components to make up the whole machine: the housing that encloses
and supports the whole machine, the shaft that transfers torque, the bearing, an optional
position sensor, and a cooling mechanism (such as a fan or liquid cooling tubes).
Figure 1 An
induction motor: (a)
rotor and stator
assembly; (b) rotor
squirrel cage; and
(c) cross-sectional
view of an ideal
induction motor
with six conductors
on the stator
Hence, we will have three approaches for changing the speed of an induction motor:
change the number of poles, change frequency, and change slip:
1. Change the number of poles: The stator winding is designed such that, by changing the
winding configuration, the number of poles will change. For example, some induction motors are
designed as 4/6, 6/8, or 4/8 pole capable. While changing the number of poles has been used
in controlling the induction motor speed in the past, it is used less and less today due to the
complexity of the stator winding configuration and low efficiency.
2. Change the frequency of the supply voltage: This is the most popular method for
controlling induction motor speed in modern drive systems, including traction drives.
3. Change slip: Since the electromagnetic torque of an induction motor is closely related to
slip, there are a few ways to change the slip to control induction motor speed:
(a) Change the magnitude of the supply voltage: As the voltage is changed, the speed of the
motor is also changed. However, this method provides limited variable speed range since the
torque is proportional to the square of voltage.
(b) Change stator resistance or stator leakage inductance: This can be done by connecting
a resistor or inductor in series with the stator winding.
(c) Change rotor resistance or rotor leakage inductance: This is only applicable to woundrotor induction motors.
(d) Apply an external voltage to the rotor winding: This voltage has the same frequency as
the rotor back emf or rotor current. Modern, doubly fed wind power generators belong to this
group. This method is only applicable to wound-rotor induction motors.
OKUMA PARÇASI: PERMANENT MAGNET MOTOR DRIVES
PM motors are the most popular choices for EV and HEV powertrain applications due
to their high efficiency, compact size, high torque at low speeds, and ease of
control for regenerative braking [43–90]. The PM motor in a HEV powertrain is
operated either as a motor during normal driving or as a generator during
regenerative braking and power splitting, as required by the vehicle operations and
control strategies. PM motors with higher power densities are also now increasingly
the choice for aircraft, marine, naval, and space applications.
The most commercially used PM material in traction drive motors is neodymium–
ferrite–boron (Nd–Fe–B). This material has a very low Curie temperature and
high temperature sensitivity. It is often necessary to increase the size of magnets to
avoid demagnetization at high temperatures and high currents. On the other hand, it is
advantageous to use as little PM material as possible in order to reduce the cost
without sacrificing the performance of the machine.
Not: Curie sıcaklığı, ferromanyetik bir maddenin, kalıcı mıknatıslığını
yitirip paramanyetik hale geçtiği kritik sıcaklıktır. Curie sıcaklığının üstünde,
ısı enerjisi manyetik momentlerin rastgele yönelmelerine sebep olur ve madde
paramanyetik hale geçer. Paramanyetizma alanında çalışan Pierre Curie'nin
anısına bu sıcaklığa Curie sıcaklığı denmektedir.
Basic Configuration of PM Motors
When PMs are used to generate the magnetic field in an electric machine, it becomes
a PM motor. Both DC and AC motors can be made with PMs. Only PM
synchronous motors and PM brushless DC motors are chosen for modern
traction drives.
A PM synchronous motor contains a rotor and a stator, with the stator similar to
that of an induction motor, and the rotor contains the PMs. From the section on
induction motors, we know that the three-phase winding, with three-phase
symmetrical AC supply, will generate a rotating magnetic field. To generate a
constant average torque, the rotor must follow the stator field and rotate at the
same synchronous speed. This is also why these machines are called PM
synchronous motors.
There are different ways to place the magnets on the rotor, as shown in Figure 2. If
the magnets are glued on the surface of the rotor, it is called a surfaced-mounted
PM motor or SPM motor. If the magnets are inserted inside the rotor in the pre-cut
slots, then it is called an interior permanent magnet motor or IPM motor.
For a SPM motor, the rotor can be a solid piece of steel since the rotor iron core itself
is not close to the air gap, hence the eddy current loss and hysteresis loss due to
slot/tooth harmonics can be neglected. For the IPM motor, the rotor needs to be
made out of laminated silicon steel since the tooth/slot harmonics will generate
eddy current and hysteresis losses.
Basic Configuration of PM Motors (cont.)
Due to the large air gap as well as the fact that the magnets have a permeability similar to that
of air, SPM motors have similar direct-axis reactance xd and quadrature-axis reactance xq . On
the other hand, IPM motors have different xd and xq. This difference will generate a so-called
reluctance torque. It is worth pointing out that although there is a reluctance torque
component, it does not necessarily mean an IPM motor will have a higher torque rating than a
SPM motor for the same size and same amount of magnetic material used.
This is because, in IPM motors, in order to keep the integrity of the rotor laminations, there are
so-called “magnetic bridges” that will have leakage magnetic flux. So for the same amount
of magnet material used, a SPM motor will always have higher total flux.
There are many different configurations for IPM motors as shown in Figure 3.
Figure 2: Surfacemounted magnets and
interior magnets: left,
SPM motor; right, IPM
motor.
1 – magnet; 2 – iron
core; 3 – shaft; 4 – nonmagnet material; 5 –
non magnet material
Basic Principle and Operation of PM Motors
The no-load magnetic field of PM machines is shown in Figure 3. When the
rotor is driven by an external source (such as an engine), the rotating
magnetic field will generate three-phase voltage in the three-phase windings.
This is the generator mode operation of the PM machine.
When operated as a motor, the three-phase windings, similar to those of an
induction motor, are supplied with either a trapezoidal form of current
(brushless DC) or sinusoidal current (synchronous AC). These currents
generate a magnetic field that is rotating at the same speed as the rotor, or
synchronous speed. By adjusting the frequency of the stator current, the
speed of the rotor or the synchronous speed can be adjusted accordingly.
The torque is the attraction between the rotor magnetic field and the stator
magnetic field in the circumferential direction. Hence, at no-load conditions,
the rotor and the stator field are almost lined up. When the angle between
the rotor field and the stator field reaches 90 electric degrees, the maximum
torque is reached in SPM motors. For IPM motors, the maximum torque
occurs at an angle slightly larger than 90◦ due to the existence of reluctant
torque.
Figure 3: Four commonly used
IPM rotor configurations: (a)
circumferential-type magnets
suitable for brushless DC or
synchronous motor; (b)
circumferential-type magnets
for line-start
synchronous motor; (c)
rectangular slots IPM motor;
and (d) V-type slots IPM motor
OKUMA PARÇASI: Magnetic Circuit Analysis of IPM Motors
Although today’s motor design is usually aided by finite element
analysis (FEA), the initial design stages are still realized through
analytical methods. Air-gap flux is one of the most important
parameters of PM motor designs and equivalent magnetic circuit
analysis is used to calculate the air-gap flux in PM motors. For SPM
motors, the equivalent magnetic circuit is straightforward. But for
IPM motors, the PMs are buried inside the rotor laminations, with
magnets inserted into the pre-stamped slots. This arrangement
protects the magnets from flying away from the rotor surface due to
centrifugal force, fatigue, and aging of material during operation of
the motor. Another advantage of IPM motors is that rectangular
(cuboid) magnets can be used to simplify the manufacturing process
and reduce the cost of manufacturing PM material. Flux
concentration structures (such as magnets arranged in a V-shape)
are often used to increase air-gap flux density in IPM motors [85].
OKUMA PARÇASI: Magnetic Circuit Analysis of IPM Motors
Calculating air-gap flux in IPM motors is somewhat troublesome due to the
existence of so-called “magnetic bridges.” When an integrated lamination is
used for IPM motors, magnetic short circuits exist around the edges of the
magnets. These magnetic bridges are designed to enhance the integrity of
the rotor. The magnetic bridges introduce magnetic short circuits and
complicate the design and analysis of IPM motors. On the other hand, there
are also concerns about how to limit the leakage flux in these magnetic
bridges while maintaining the mechanical strength of the rotor. The flux
leakage and flux distribution in
the magnetic bridges can be precisely obtained through numerical methods
such as FEA. However, FEA can only be performed after the preliminary
dimensions of the motor have been determined. FEA is also cumbersome
and time consuming in the early stages of PM motor design where numerous
iterations are usually performed. Analytical calculation and analysis of all
types of PM motors are essential in their early design stage.
This section discusses the analytical method to calculate the air-gap flux of
IPM machines using an equivalent magnetic circuit model taking into
account the assembly gap and saturation in the steel. Factors that affect the
flux leakage in an IPM motor will also be discussed.
OKUMA PARÇASI: Sizing of Magnets in PM Motors
Sizing of magnets is one of the critical tasks of PM machine
design. This section discusses the analytical methods to
calculate the volume and size of magnets for PM motors. The
proposed methods are validated by FEA and experiments [91].
The formulas will be derived based on a set of assumptions
and then modified based on practical design considerations.
The assumptions include the following:
• Magnetic pole salience can be neglected
• The stator resistance is negligible.
• Saturation can be neglected.
• The air-gap flux is sinusoidally distributed.
Functional block diagram of a typical electric
propulsion system
Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Ali Emadi, "Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles", 2010.
ÖRNEKLER
• Battery weight 2 x 140 kg
• Total weight: 1660 kg
• Low mounted batteries for low
centre of gravity
• Weight distribution front / rear
56 / 44 (60/40 C30)
• Li-Ion batteries 400 V / Capacity
24 kWh [8 h @ 230 V/16 A]
• Electric motor 82 kW (111 hk)
• Torque 220 Nm
• Acceleration 0-70 km/h 6.0 s /
0-100 km/h 10.9 s
• Top speed 130 km/h
• Practical driving range up to 150
km [NEDC 163 km]
• Consumption: 15 kWh/100 km
• Pure Electric, 0 g CO2 tail pipe
emissions
Johan Konnberg - Volvo Car Electrification Strategy, 2012-10-23
PDU [Power Distribution Unit]
Inverter
Battery
12 kWh
DC/DC converter
Battery
12 kWh
OBC [On Board Charger]
Electric motor
Electric driven
AC-compressor
Connector
230 V AC cable
• Peak power 89 kW (120 bhp)
• Torque 250 Nm
• 0–70 km/h in 5,9 seconds
• Top speed 125 km/h
• Technology intended for large scale production
with automotive standard

Slayt 1 - Abdullah Demir

Transkript

Benzer belgeler

ELEKTRİKLİ BİSİKLET BAKIM VE GENEL BİLGİLERİ GENEL

BD Otomotiv Türkiye`nin ilk elektrikli hafif ticari aracını TNT`ye teslim etti

MÜŞTERİ GÖRÜŞLERİ TNT EXPRESS BD Otomotiv`in Türkiye`de ilk

marka tescil başvurularına ait mal ve hizmetlerin sınıflandırılmasına

Flexisorb