Быстрая навигация

• I. Введение
• a. Актуальность работы
• b. Цели и задачи исследования
• II. Исследование интенсивности солнечной радиации на примере России
• a. Прямая солнечная радиация
• b. Выбор солнечных панелей
• III. Преобразование солнечной энергии в энергию механическую (на примере солнцемобиля).
• IV. Привязка и исследование системы векторного управления на базе АД с КЗ ротором. Выбор электродвигателя.
• a. Структура АД, с привязкой к ВР
• b. Результаты исследования работы
• V. Выводы

I. Введение

Мы, с научным руководителем, выбрали себе довольно таки обширный, и что самое главное интересный магистерский проект. Если рассказать вкратце, то мы должны исследовать систему векторного управления в электроприводе переменного тока, затем привязать этот привод к электромобилю. После чего следует изучить интенсивность солнечного излучения (радиации, энергии) для определенного региона. С точки зрения этих наблюдений оценить и сделать выводы в каких случаях наш виртуально созданный электромобиль превратится в солнцемобиль, и будет работать на солнечных батареях, и лишь от потребляемой солнечной энергии. А также, в каких случаях он будет просто электромобилем, подпитывающимся от сети переменного тока. Вследствии этих изучений, и на основе системы солнцемобиля мы проанализируем процесс превращения солнечной энергии в энергию механическую. Будут также смоделированы режимы работы данного типа автомобиля А сейчас вкратце обо всем.

a. Актуальность работы:

В первую очередь, солнцемобили – это интересное, новое научное направление. Ведь серийное производство таковых стартует лишь в 2019 году. Автомобиль, оборудованный солнечными панелями, называется Sion. Созданием такового занимается мюнхенская компания Sono Motors [1].

Также, это транспортное средство полностью независимо от углеводородного топлива, и работающее только за счет полученной электрической и солнечной энергии. В плане борьбы за экологию данный пункт является достаточно весомым. Солнцемобили – это автомобили будущего, и на исследование и создание таковых будет выделяться все больше и больше средств, а талантливые инженеры все больше и больше будут вносить какие-то новшества в разработку.

b. Цели и задачи исследования:

Тут я повторюсь, и вкратце опишу раннее мною сказанное.

• Исследовать интенсивность солнечной радиации в выбранном нами регионе.
• Изучение преобразования солнечной энергии в энергию механическую.
• Привязка и исследование системы векторного управления на базе АД с КЗ ротором.
• Моделирование режимов работы солнцемобиля, анализ результатов.

II. Исследование интенсивности солнечной радиации на примере России

Мощность излучения Солнца, находящегося в зените, у поверхности Земли оценивается примерно в 1350 Вт/м². Простой расчёт показывает, что для получения мощности 10 кВт необходимо собрать солнечное излучение с площади всего лишь 7.5 м². Но это — в ясный полдень в тропической зоне высоко в горах, где атмосфера разрежена и кристально прозрачна. Как только Солнце начинает склоняться к горизонту, путь его лучей сквозь атмосферу увеличивается, соответственно, возрастают и потери на этом пути. Присутствие в атмосфере пыли или паров воды, даже в неощутимых без специальных приборов количествах, ещё более снижает поток энергии. Однако и в средней полосе в летний полдень на каждый квадратный метр, ориентированный перпендикулярно солнечным лучам, приходится поток солнечной энергии мощностью примерно 1 кВт.

Конечно, лёгкая облачность в разы уменьшает количество энергии, достигшей поверхности, особенно в инфракрасном (тепловом) диапазоне. Тем не менее, часть энергии всё равно проникает сквозь тучи. В средней полосе в облачный летний полдень мощность солнечного излучения, дошедшего до поверхности Земли, оценивается примерно в 100 Вт/м². Очевидно, что в таких условиях для получения 10 кВт необходимо полностью, без потерь и отражения, собирать солнечное излучение уже с целой сотки (100 м²). Но и эта оценка достаточно усреднена, поскольку при особо плотной облачности или когда солнце стоит низко над горизонтом, поток солнечной энергии может опускаться намного ниже этой величины. Если же брать наихудший случай, то во избежание неприятных сюрпризов «гарантированный минимум» засветки на значительной части территории России в пасмурный зимний полдень следует оценивать не более 20 Вт/м², и это для панелей, установленных под оптимальным углом (хотя обычно дела обстоят намного лучше) [2].

a. Прямая солнечная радиация

Количество поступающей к земной поверхности прямой солнечной радиации ( S ) в условиях безоблачного неба зависит от высоты солнца и прозрачности атмосферы. Повышенный приход прямой радиации в Азиатской части обусловлен более высокой прозрачностью атмосферы в этом регионе. Высокие значения прямой радиации летом в северных районах России объясняются сочетанием высокой прозрачности атмосферы и большой продолжительностью дня.

Облачность снижает приход прямой радиации и может существенно изменить ее суточный и годовой ход. Однако при средних условиях облачности астрономический фактор является преобладающим и, следовательно, максимум прямой радиации наблюдается при наибольшей высоте солнца.

В большей части континентальных районов России в весенне-летние месяцы прямая радиация в дополуденные часы больше, чем в послеполуденные. Это связано с развитием конвективной облачности в послеполуденные часы и с уменьшением прозрачности атмосферы в это время суток по сравнению с утренними часами. Зимой соотношение до- и послеполуденных значений радиации обратное — дополуденные значения прямой радиации меньше в связи с утренним максимумом облачности и уменьшением ее во вторую половину дня. Разница между до- и послеполуденными значениями прямой радиации может достигать 25–35%.

В годовом ходе максимум прямой радиации приходится на июнь-июль за исключением районов Дальнего Востока, где происходит его смещение на май, а на юге Приморья в сентябре отмечается вторичный максимум. Максимальная месячная сумма прямой радиации составляет на территории России 45–65% от возможной при безоблачном небе и даже на юге Европейской части она достигает лишь 70%. Минимальные значения отмечаются в декабре и январе.

Вклад прямой радиации в суммарный приход при действительных условиях облачности достигает максимума в летние месяцы и составляет в среднем 50–60%. Исключением является Приморский край, где наибольший вклад прямой радиации приходится на осенние и зимние месяцы.

Распределение прямой радиации при средних (действительных) условиях облачности по территории России в значительной степени зависит от циркуляции атмосферы. Это приводит к заметному нарушению зонального распределения радиации в отдельные месяцы. Особенно это проявляется в весенний период. Так, в апреле отмечается два максимума — один в южных районах Забайкалья и Амурской области, второй — на северо-востоке Якутии и на Колыме, что также является результатом сочетания высокой прозрачности атмосферы, большой повторяемости ясного неба и продолжительности дня [3].

b. Выбор солнечных панелей

Солнечные батареи, созданные с использованием арсенида галлия (соединение галлия и мышьяка) являются самым оптимальным вариантом для солнцемобиля, даже несмотря на свою сверхпредельную дороговизну, так как нас интересует, в первую очередь, высокий КПД установки. Арсенид галлия – это полупроводник, обладающий такими же гелиоэнергетическими свойствами, как и кремний, но более эффективный с точки зрения производительности. Именно поэтому солнечные элементы на его основе отличаются гораздо большим КПД (до 44%).

Данные панели обладают такими преимуществами:

• Очень высокая поглощательная способность. Материал весьма эффективно поглощает солнечное излучение, благодаря чему его можно наносить слоем всего в несколько микрон. Это означает значительное уменьшение толщины фотоячейки.
• Ширина запрещенной зоны. Запрещенная зона – область энергий, обладать которыми электрон в нормальном состоянии не может. Ее ширина – минимум энергии, требующийся для перемещения электрона, чтобы он участвовал в формировании фототока. Для арсенида галлия этот параметр составляет – 1,43 эВ, что является практически идеальным значением для однопереходного фотоэлемента.
• Очень высокая стойкость к радиации. В сочетании с производительностью эта характеристика делает данные фотоячейки очень подходящими для использования в космической отрасли.
• Малая чувствительность к нагреванию. В отличие от кремниевых панелей, солнечные батареи на арсениде галлия практически не теряют производительность при повышении температуры и перегреве. А значит, им нужно меньше дополнительного охлаждения.
• Возможность изменения рабочих характеристик. Добавление разного рода примесей (фосфора, индия, мышьяка, алюминия) позволяет корректировать параметры галлия арсенида (например, ширину запрещенной зоны). Это позволяет расширить возможности создания солнечных ячеек с точно заданными параметрами и структурой (таких, как сложные многопереходные элементы).

Использование галлия арсенида дает возможность разработчиками получать многослойные ячейки с различным составом слоев. За счет этого можно более точно управлять процессом генерации носителей заряда (интенсивностью фототока). Для кремниевых элементов эти возможности ограничены, поскольку материал имеет предельно допустимый уровень легирования (введения примесей для изменения свойств) [4].

III. Преобразование солнечной энергии в энергию механическую (на примере солнцемобиля) [5]

Всякий солнцемобиль — это устройство, которое преобразует солнечную энергию в механическую (энергию движения ведущих колес).

Он обычно включает в себя:

• Солнечные панели, которые, в свою очередь, непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую, благодаря фотоэлектрическому эффекту.
• Контроллер солнечной батареи, обеспечивающий нормирование выходного напряжения батареи, зарядку аккумуляторов и (опционно) подачу низковольтного постоянного тока в нагрузку.
• Электрохимические аккумуляторы, запасающие энергию в период её избытка и подающие её в систему в период нехватки при недостаточном освещении фотоэлементов или при временном возрастании потребления. Также накопленный запас энергии позволяет перемещаться ночью или в условиях сильной облачности.
• Инвертор, обеспечивающий преобразование постоянного тока от аккумуляторов и фотоэлементов в переменный.
• Электродвигатель, который устанавливается чаще непосредственно на ведущие (-ее) колеса (-о), чтобы исключить потерю мощности при трансмиссии. Управляющий блок, который занимается распределением полученной энергии (излишек накапливается в аккумуляторе) и регулированием параметров работы солнечной батареи (охлаждение, ориентирование на солнце).

IV. Привязка и исследование системы векторного управления на базе АД с КЗ ротором. Выбор электродвигателя

Дабы устранить недостатки, которыми обладает скалярное управление двигателем, еще в 71-м году прошлого века компанией SIEMENS было предложено внедрение метода векторного управления двигателем. Векторное управление - метод управления бесщеточными электродвигателями переменного тока, который позволяет независимо и практически безынерционно регулировать скорость вращения и момент на валу электродвигателя.

Рисунок 4.1 – Структура ВР

В первых электроприводах с векторным управлением использовались двигатели, в которых были встроены датчики потока, что значительно ограничивало область применения подобных приводов.

Система управления современных электроприводов содержит в себе математическую модель двигателя, позволяющую рассчитать скорость вращения и момент вала. Причем в качестве необходимых датчиков устанавливаются только датчики тока фаз статора двигателя. Специально разработанная структура системы управления обеспечивает независимость и практически безынерционность регулирования основных параметров – момент вала и скорость вращения вала.

К сегодняшнему дню сформировались следующие системы векторного управления асинхронным двигателем:

• Бездатчиковые – на валу двигателя отсутствует датчик скорости,
• Системы, имеющие обратную связь по скорости.

Применение методов векторного управления зависит от области применения электропривода. Если диапазон измерения значения скорости не превышает 1:100, а требования, предъявляемые к точности, колеблются в пределах ±5%, то используется бездатчиковая система управления. Если измерение скорости осуществляется в пределах достигающих значений 1: 10000 и больше, а уровень точности должен быть довольно высоким (±0,2% при частоте вращения ниже 1 Гц), или же необходимо позиционировать вал или осуществлять регулирование момента на валу при низких частотах вращения, то применяется система, имеющая обратную связь по скорости [6].

 

Преимущества векторного управления:

• высокая точность регулирования скорости;
• плавный старт двигателя во всем диапазоне частот;
• быстрая реакция на изменение нагрузки;
• увеличенный диапазон управления и точность регулирования;
• снижаются потери на нагрев и намагничивание, повышается КПД электродвигателя.

К недостаткам векторного управления можно отнести:

• необходимость задания параметров электродвигателя;
• вычислительная сложность.

a. Структура АД, с привязкой к ВР

Рисунок 4.2 - Структура АД, с привязкой к ВР

Моментообразующая компонента i_sq непосредственно управляет крутящим моментом на валу двигателя m_M. Потокообразующая компонента i_sd влияет на задержку постоянной времени ротора T_r через потокосцепление. Постоянная времени T_r находится в диапазоне T_r = 20 ... 200 ms.

Преобразование напряжений статора в векторную систему координат [7]:

Основное уравнение:

Уравненения напряжений статора преобразуются через предаточную функцию (преобразования Лапласа), и раскладываются на действительную и мнимую части.

После преобразования:

Преобразование уравнений ротора в векторную систему координат

Основное уравннение:

После преобразования:

i_sd - Потокообразующая компонента статора

i_sq - Моментообразующая компонента статора

Преобразование фаз:

Преобразование координатной системы a,b в d,q: p - угол между кооординатными системами a,b и d,q

b. Результаты исследования работы:

В данной работе по паспортным данным машины мы рассчитали моментообразующую компоненту статора (isq) и потокообразующую (isd), создали модель АД с КЗ ротором, изображенную на рисунке:

Рисунок 4.3 – Модель АД в «Матлаб»

Привязали к данной модели систему ВР:

Рисунок 4.4 – Система ВР в «Матлаб»

И получили нужные нам осциллограммы, где скорость(wm) моментообразующая(isq) и потокообразующая(isd) компоненты совпали с расчетными. Тем самым мы проверили и доказали актуальность системы векторного регулирования.

Рисунок 4.5 – Осциллограммы wm, isq, isd

V. Выводы

В результате научно-исследовательской работы были собраны и изучены материалы по вопросам, связанным с темой магистерской работы. Была исследована интенсивность солнечного излучения на примере Российской Федерации, вследствии данных результатов исследования были выбраны арсенид-галлиевые солнечные батареи, так как они обладают наибольшим КПД – 44%. Полностью была изучена система преобразования солнечной энергии в механическую. А также было произведено исследование системы ВР, на примере асинхронного электродвигателя.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2018 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Ссылки

1. Scion
2. Альтернативная энергеника
3. Прямая солнечная радиация
4. Арсенид-галиевые солнечные батареи
5. Инновационные технологии. Солнцемобили. Авторы: А.С. Середюк, А.Н. Минтус
6. Скалярное и векторное управление асинхронными двигателями
7. Ulrich Riefenstahl “Elektrische Antriebssysteme” (перевод данного раздела А.Середюк)