1 Memoriu justificativ Realizareaautomobilelorcefolosescmotorcuardereinternesteunadintrecelemai marirealizrialetehnologieimoderne.nscretereapreuluipetrolului,deteriorareacalitii aerului,epuizarearesurselorpetrolieredatoritnumrulcrescutdeautomobile,nclzirea global, i interesul din ce n ce mai puternic pentru protejarea mediului, au dus n ultimii 10-15 ani la reapariia i dezvoltarea mainilor electrice. .Automobilele electrice folosesc o baterie care se rencarc de la reeaua de curent electric. n prezent, mainile electrice pot fi ncrcate i direct la priza din locuin/garaj. Ele reprezint o soluie viabil pentru diminuarea polurii aerului din marile centre urbane. De asemenea, pentru c nu folosesc un motor cu ardere intern, mainile electrice sunt considerate o modalitate pentru areducecantiateadeCO2eliminatnatmosfer.Spredeosebiredeautomobileleclasice,cele electriceprezintriscmultmairedusdeincendiu/exploziencazdeaccident,datoritlipseide combustibili fosili i produc mai puin zgomot n mers.Lucrarea prezint bazele teoretice ale vehiculelor electrice (EVs), performanele acestora, configuraiiielementelecomponenteprecumimetodemodernedemodificareaturaieiia cuplului produs de motoarele electrice. 2 1.Introducere Primademonstraiedevehiculeelectriceafostfcutnanul1830,pnlasfritul secoluluial19-leafiinddisponibiledoarcavehiculecomerciale.Vehicululelectricestenal treileasecoldelaapariie,fiindunproduscomercialdesucces,surclasndmultealteidei tehnice,carenuaurezistat.Cutoateacestea,vehiculeleelectricenus-aubucuratdesuccesul enormalvehiculelorcumotorcuardereintern(IC)careaunmodnormalnrazadeaciune mult mai mare i sunt foarte uor de realimentat. Preocuprile de astzi fa de mediu, mpreun cuevoluiabateriilorpotnclinabalanainfavoareavehiculelorelectrice.Prinurmare,este important ca principiile care stau la baza proiectariivehiculelor electrice, aspectele tehnologice i de mediu sa fie bine nelese. 1.1.Scurt istoric 1.1.1 nceputuri Primele vehicule electrice din 1830 foloseau baterii nerencrcabile. Dup o jumtate de secol bateriile s-au dezvoltat suficient pentru a fi utilizate n vehicule electrice comerciale. Pn la sfritul secolului 19, bateriile rencarcabile se produceau n mas i astfel vehiculele electrice au devenit utilizate pe scar larg. Mainile private erau majoritatea electrice, deoarece erau mai performante ca cele ardere cu intern sau cu abur. Lanceputulsecolului20vehiculeleelectriceauprutunconcurentputernicpentru viitorul transportului rutier deoareceeraufiabilei porneau repede spre deosebire de vehiculele cumotorcuardereinternsaucumotorcuaburicarenecesitauporniremanualieraumai puin fiabile. Pnn1920catevasutedemiidevehiculeelectriceaufostfabricatecaautoturisme, autoutilitare,taxiuri,vehiculedelivrare,iautobuze.Totui,nciudanceputuluibunal automobilului electric, odat ce petrolul a devenit ieftin si disponibil i demarorul a fost inventat (1911), motorul cu ardere intern s-a dovedit a fi o soluie mai bun. 3 1.1.2 Declinul dup 1910 Autovehiculelecarefolosescmotorcucombustieinternauavutsuccesmaimare datoritenergieispecificeacombustibililorfosili.Energiaspecificacombustibililorpentru motorul cu ardere intern e aproximativ 9000 Wh/kg, n timp ce energia specific pentru baterii este de 30 Wh/kg. Dacseadaugeficienamotoruluicucombustieintern,acutieidevitezesiatransmisiei (aproximativ20%)nseamncoenergiede1800Wh/kgpoatefiobinutdelapetrol.Pentru motorul electric eficiena e de 90% i deci 27 Wh/kg se poate obtine la ax. Un alt motiv pentrualegereamotoruluicucombustieinternesteautonomiavehicolului:4,5ldepetrolcntaresc aproximativ4kgidauoautonomiedeaproximativ50km,intimpceobateriepentruaavea aceeai cantitate de energie cntrete 270 kg. Pentru a dubla energia i deci pentru a mari raza de aciune n cazul motorului cu ardere intern sunt necesari nca 4.5 l i deci 4 kg n plus iar n cazul motorului electric sunt necesare nca 270 kg. Figura1.1demonstreazcnpracticastfelnusedubleazdistanaparcurs,deoareceo cantitate mare de energie e necesar accelerrii i frnarii. O parte din energie poate fi recuperat prinfrnarecurecuperaredeenergie,cazncaremotorulfuncioneazcagenerator, transformndenergiacineticinenergieelectriccevancarcabateria.npracticdatorit eficienei mai puin de o treime din energie poate fi recuperat. 4 Fig.1.1 5 1.1.3 Dezvoltarea de la sfritul secolului 20 nultimaparteasecolului20auexistatmodificricarepotfacecavehiculelectrico soluiemaiatractiv.nprimulrnd,existmaimultengrijorricuprivirelamediul nconjurtor, n ceea ce privete emisiile globale de dioxid de carboni nivelul emisiilor de gaze deeapament.naldoilearnds-aunregistratprogresetehnicenproiectareavehiculelor, bateriilorreincarcabile,amotoareloricomandaacestora.nplus,bateriilecarepotfi realimentate,inventatedeWilliamGroven1840aufostdezvoltatepnlapunctulncare acestea sunt utilizate n vehicule electrice. Problemeledemediupotfifactoruldecisivnadoptareavehiculelorelectricepentru transportul n ora.Benzina cu plumba fost deja interzis, i auexistat ncercri n unele orae de a fora introducerea a vehiculelor cu emisii zero. 1.2 Tipuri de vehicule electrice utilizate astzi Evoluiadinsecolele19i20esteacumutilizatpentruaproduceonougamade vehiculeelectricecareauinceputsaaibasucces.Existefectivasetipuridevehiculelectric, carepotficlasificatedupcumurmeaz:vehiculecubaterieelectrictradiionaliestetipul care,deobicei,vinenminteatuncicndoameniisegndesclavehiculelorelectrice.Cutoate acestea,aldoileatip,vehicululelectrichibrid,carefoloseteobateriesiunmotorcuardere intern,estefoarteprobabilsdevincelmaifrecventtipnaniiurmtori.Altreileatipde vehiculeestecelcareutilizeazcombustibilnlocuibilcasursadeenergie,folosindfiebaterii rencarcabilesaubateriideaermetal(nerencrcabile).Alpatruleatipdevehiculesuntcele alimentatedelaliniileelectrice.Alcincileatipsuntvehiculeleelectricecareutilizeazpanouri solare.Alaseleatipsuntvehiculelecarestocheazenergieprinmijloacealternative,cumarfi volantesausupercondensatori,caresuntaproapentotdeaunahibriziutilizndaltesursede energie. 6 1.2.1 Vehicule cu baterii electrice Conceptul de vehicul cu baterie electric, n esen, este simpl i este prezentat n Figura 1.2 Figura 1.2 Vehicululfoloseteobaterieelectricdestocareaenergiei,unmotorelectric,siun controller. Bateria este rencrcat n mod normal, de la reeaua principal prin intermediul uneiprizeiounitatedencrcareabateriei,carepoatefifiemontatlabordsaulapunctulde ncrcare.Controlerulvacontrolaputeradealimentareamotoruluii,prinurmare,viteza vehiculului,nambelesensuriderulare(acestlucruestenmodnormal,cunoscutcaun controller cu 2 cadrane). De obicei este dorit s se utilizeze energia de frnare pentru a recupera energiaconsumat.Atuncicndcontrolerulpermitefrnarearegenerativnambelesensuride rulare este cunoscut ca un controller cu4 cadrane. 7 2. Baterii 2.1 Introducere naproapetoatecazuriledeautomobilelectricbateriaesteocomponentcheie.n vehicululelectricclasicbateriaestesinguruldispozitivcarepoatestocaenergieideci componenta cu cel mai mare cost, greutate si volum. n vehiculele hibride bateria, care trebuie s accepte i s cedeze continuu energie este, de asemenea, o component cheie. Unele vehicule au baterii care nu sunt mai mari dect cele prevzute n mod normal la masinile cu motor cu ardere intern, dar este probabil ca majoritatea vehiculelor electrice ce vor aprea s aib baterii destul de mari i s lucreze n modul hibrid/baterie. Pe scurt, o bun nelegere a tehnologiei bateriei i a performaneieste vital pentru oricine este implicat n domeniul vehiculelor electrice. Obaterieestealctuitdindousaumaimulteceluleelectricealturate.Celulele convertescenergia chimic n energie electric i constau din electrozi pozitivi i negativi i un electrolit.Reaciachimicntreelectroziielectrolitesteceacarefurnizeazenergieelectric (curentcontinuu).ncazulbateriilorrencrcabilereaciachimicpoatefiinversatprin inversarea curentului i ncrcarea bateriei. Primulvehiculelectriccareafolositbateriilrencrcabileaprecedatinvenia acumulatorului pe baza de plumb cu un sfert de secol i exist un numr foarte mare de materiale sielectroliticarepotficombinatepentruaformaobaterie.Cutoateacestea,numaiunnumr relativmicdecombinaiiaufostdezvoltatecabateriielectriceadecvatepentruutilizarean autovehicule. n prezent, acestea includ acumulatorul pe baza de plumb, fier i nichel, cadmiu i nichel,metalhidrogeninichel,polimerdelitiu,litiuifier,sodiuisulf,clorurdesodiude metal.Exist,deasemenea,cercetridebateriicarepotfirealimentatemecanic,celemai importantefiinddinaluminiu-aeriaer-zinc.nciudadiferitelorposibilitincercate,i aproximativ 150 de ani de dezvoltare, un acumulator adecvat nc nu a fost nc elaborat, care s permit utilizarea pe scar larg a vehiculelor electrice.

8 R EV I 2.2 Parametrii bateriilor 2.2.1 Tensiunea Toateceluleleelectriceautensiuninominalecarenseamntensiuneaaproximativ atuncicndcelulafurnizeazenergieelectric.Bateriilepentruvehiculeleelectricesuntde obiceide6Vsau12V,iacesteunitisuntlarndullor,conectatenseriepentruaproduce tensiuneanecesar.Aceasttensiune,npractic,sevamodifica.Atuncicndcurentulscade tensiunea va scdea; atunci cnd bateria se ncarc, tensiunea va crete. Circuitul echivalent al unei baterii este prezentat n figura 2.1. Bateria este reprezentat ca avnd o tensiune fix E, dar tensiunea la bornele sarcinii este o tensiune diferit V, din cauza tensiunii pe rezistena intern R. Fig.2.1 Dac I este curentul din circuit se poate scrie:IR E V = . n cazul n care curentul I este zero, tensiunea la borne este egal cu E i deci E este adesea menionat ca tensiunea de circuit deschis.ncazulncarebateriasencarc,atuncitensiuneavacretecuIR.nbateriile vehiculului electric rezistena intern trebuie s fie ct mai mic posibil. Sarcin 9 2.2.2 Capacitatea de ncrcare Sarcina electric pe care o baterie o poate furniza este n mod clar un parametru cele mai importante.UnitateanSIesteCoulombul(sarcinaelectrictransportatdeuncurentde1 amper n timp de 1 secund: 1C = 1A 1s ). n schimb e folosit unitatea amper-or echivalent cu 3.600 coulombi. Asta nseamn c o baterie cu zece amperi-or poate oferi 1A timp de 10 ore, sau 2 amperi timp de 5 ore, sau n teorie 10 amperi timp de 1 or. Cu toate acestea, n practic, nu e valabil pentru cele mai multe baterii. De obicei pentru o baterie ce poate s furnizeze 1A timp de 10 ore n cazul n care 10A sunt consumai, va dura mai puin de o or pn la terminarea energiei. Capacitatea bateriilor de mari dimensiuni utilizate n vehicule electrice este de obicei de 5 ore. Figura2.2 arat modul n care capacitateabateriei se modific n timp. Timpul de descrcare ( ore ) Capacitatea ( amperi-or ) 1020515 46 40 34 0 Fig.2.2 10 2.2.3 Energia nmagazinat Scopulabaterieiestedeastocaenergie.Energiastocatntr-obateriedepindede tensiune sa i de gradul de ncrcare. Unitatea de msur a energiei e Joule dar cea mai folosit e watt-or. Un watt-or este echivalent cu energiadebitat de 1Watt timp de o or. Watt-ul ore echivalent cu 3600 Jouli. Se poate scrie formula:energia n watt-or = tensiunea amperi-or 2.2.4 Energia specific Energiaspecificestecantitateadeenergieelectricstocatpentrufiecarekilogramal bateriei. Unitatea de msur este Wh/kg. Odat ce capacitatea de energie a bateriei necesare ntr-un vehicul este cunoscut (Wh), acesasta poate fi mprit la energia specific (Wh/kg) pentru a oferi o prim aproximare a masei bateriei. 2.2.5 Densitatea de energie Densitatea de energie este cantitatea de energie electric stocat pe metru cub de volum al baterieiiarenmodnormal,unitateademsur 3Whm .Este,deasemenea,unparametru importantcaicapacitteadeenergieabateriei(Wh)cepoatefimpritdedensitateade energie a bateriei ( 3Whm ) pentru a afla volumul necesar bateriei. 11 3. Configutaia vehiculelor electrice Componentele ce genereaz i transmit energia la suprafaa de rulare sunt n fig.3.1 Fig.3.1 Vehicululestealctuitdintreisubsistemeprincipale:subsistemulelectricdepropulsie,subsistemulsurseideenergie,isubsistemulauxiliar.Subsistemuldepropulsieelectriceste format din controllerul vehiculului, convertorul de putere, motorul electric, transmisia mecanic, i roile motoare. Subsistemul sursei de energie cuprinde: sursa de energie, unitatea de gestionare aenergieiiunitateaderencrcareabateriei.Subsistemulauxiliarcuprindeunitateade servodirecie, unitatea de controlclimatic i unitatea de alimentare auxiliar. n funcie semnalele primite de la pedalele de acceleraie i frn, controller-ul furnizeaz semnalelaconvertoruldeputere,carereglementeazfluxuldeputerentremotorulelectrici sursa de energie. Prin frnare cu recuperare de energie se poate rencrca bateria. Cele mai multe baterii folosite la vehiculele electrice, precumsupercondensatorii i volanii posed capacitatea de a nmagazinaenergie regenerabil. Unitatea de gestionare a energieifuncioneaz mpreun cu controller-ul pentru acontrola frnarea regenerativ i recuperarea de energie. De asemenea, funcioneazcuunitateaderencarcareabaterieipentruacontrolarencrcareaipentrua monitoriza monitoriza gradul de utilizare a sursei de energie. Motorelectric baterie Transmisie mecanic 12 Alimentareacuenergieauxiliaroferputereanecesarcudiferiteniveledetensiune pentrutoatedispozitiveleauxiliarenspecialdecontrolalclimeiiunitateadeservodirecie. Exist o varietate de configuraii posibile aa cum se arat n figura 3.2 Fig.3.2 Convertor de putere controlerMotor electric Transmisiemecanic

Controlul energiei Surs de energie Surs auxiliar Controlul direciei Controlul temperaturii Legtur mecanic Legtur electric control Subsistemul de propulsie subsistemul sursei de energiesubsistemul auxiliar 13 4. Performanele vehiculelor electrice Performanelevehiculelorelectricesuntdeobiceievaluateduptimpuldeaccelerareal acesteia,vitezamaxim,ipantadmisibilpecareopoateurca.nproiectareavehiculelorputereamotoruluiiparametriitransmisieisuntconsideraiileprimarepentruarespecta specificaiiledeperforman.nproiectarevalorileacestorparametriidepindedecaracteristica cuplu n funcie de turaie a motorului de traciune. 4.1 Caracteristicile motorului de traciune Motoareleelectrice cu vitez variabil au caracteristica prezentate n Figura 4.1 Fig.4.1 nregiuneadevitezredusmotorulareuncupluconstant.nregiuneaturaiilormari motorul are o putereconstant. Aceast caracteristic este de obicei reprezentat printr-un raport de vitezx, definit ca raportul dintreturaia maxim i o turaie de referin (cea nominal). n aplicaii de vitez redus, tensiunea de alimentare a motorului crete odat cu creterea turaiei n timp ce fluxul e meninut constant. La turaia nominal tensiunea motorului e egal cu tensiunea Turaie (rpm) Putere Cuplu (Nm) Turaie 14 dealimentare.Dupcetensiuneaeegalcuasursei,tensiuneamotoruluiestemeninut constant i fluxul scade hiperbolic cu creterea turaiei. Prin urmare, cuplul, de asemenea, scade hiperbolic cu creterea vitezei. 4.2 Fora de traciune Fora de traciune dezvoltat de un motor de traciunei viteza vehiculului se calculeaz cu formulele: dt g mtri i TFq0=030 i ir NVgd mt= (m/s) unde Tm i Nm reprezint cuplul motorului n Nm, ig e raportul de transmisie, i0 este raportul de transmisiealunitiifinale, tq esteeficienantreguluilancinematicdelamotorlarotiirde raza roilor. Utilizarea unei transmisii cu mai multe trepte de vitez sau cu o treapt de vitez depinde nspecialdecaracteristicacupluturaie.Daclaputereanominalmotorulareputere constant, o cutie de viteze cu o singur treapt este suficient pentru un efort de traciune mare lavitezemici.ncazcontrar,ocutiedevitezecumaimultetreptetrebuieutilizat.Figura4.2 arat efortul de traciune i viteza vehiculului laun motor de traciune cu x = 2 i o transmisie cu trei trepte devitez. 15 a b d e c f g h Vitez maxim Viteza vehicul (km/h) Fora de traciune Rezisten la rulare + frecare aerodinamic For de traciune Ft Fr Fw Primatreaptadevitezaacoperregiuneavitezadea-b-c,treaptaadouasereferlad-e-f,iar treapta a treia se refer la g-f-h. 4.3 Performanele vehiculului Performaneledebazalevehicululuiincludvitezamaxim,pantaadmisibil,i acceleraia. Viteza maxim a unui vehicul poate fi uor determinat trasnd punctul de intersecie alcurbeiefortuluidetraciuneicurbaderezisten(rezistenlarulareplusfrecare aerodinamic) aa cum se vede n fig.4.2. Trebuie remarcat c un astfel de punct de intersecie nu exist n unele proiecte, care folosesc de obicei un motor de traciune cu cuplu mai mare sau un a b c prima treapt d e fa doua treapt g e f a treia treapt Fig.4.2 16 raport de transmisie de mare. n acest caz, viteza maxim a vehiculului este determinat de viteza maxim a motorului de traciune cu formula: 0 minmaxmax30 i ir NVgd mt= (m/s) n care Nm max e turaia maxim a motorului de traciune i ig min este raportul de transmisie minim (treapta cea mai nalt).Pantaadmisibilestedeterminatdeefortuldetraciunenetalvehiculului,Ft-net ( Ft-net = Ft Fr Fw ) dup cum e artat n fig.4.2. Pant admisibil la viteze medii i la mari este maimicdectcealavitezemici.Pantamaximpecareopoateurcavehiculullaoanumit vitez e data de formula:gw r tgnet tMF F FMFi) ( + = = n care Ft e efortul de traciune la roi, Fr este fora de frecare ntre roat i suprafaa de rulare i Fw este frecarea aerodinamic. Acceleraiaunuivehiculeevaluatduptimpul necesarpentruaacceleradelaovitez mic V1 (de obicei zero), la o vitez mai mare (100 km/h pentru autoturisme). Daca se neglijeaz frecrile timpul de acceleraie poate fi calculat cu formula: ) (22 2b ftaV VPMt +c=n care ineria vehiculului, M este o constant. Puterea de traciune se poate calcula cu relaia: ) (22 2b tatV VtMP +c= 17 5. Sisteme electrice de propulsieSistemeleelectricedepropulsieseafllabazavehiculelorelectriceisuntalctuitedin motoareelectrice,convertoaredeputere,icontrolereelectronice.Mainaelectricpoate funcionacamotor(cndtransformenergiaelectricnenergiemecanicpentruapropulsa vehiculul) sau ca generator, (cnd transform energia mecanic n energie electric) cu scopul de ancrcaabateri.Convertoruldeputereesteutilizatpentruafurnizamotoarelorelectrice tensiuneaicurentulcorespunztoare.Controler-ulelectroniccomandconvertoruldeputerei controleazfuncionareamotoruluielectricpentruaproducecupluivitezcorespunztoare. Controler-ul electronic poate fi mprit n trei uniti funcionale: senzor, circuite de interfa i procesor.Senzorulestefolositpentruatransformamrimilemsurabilecumarficurentul, tensiunea,temperatura,viteza,cuplul,ifluxul,nsemnaleelectrice.Acestesemnalesunt condiionatelanivelulcorespunztornaintedeafiintrodusenprocesor.Schemablocaunui sistem de propulsie electric este ilustrat n figura 5.1. Fig.5.1 Controller electronic convertorMotor electric Transmisie i diferenial

baterie 18 Alegerea sistemelor de propulsie electrice n principal, depinde de o serie de factori: ateptrile oferului, constrngeri legate devehicul i sursa de energie. Ateptrile oferului sunt legate de acceleraie,vitezmaxim,pantamaximapecareopoateurcavehiculul,defrnareide autonomie.Constrngerilelegatevehiculincludvolumul,greutateaisarcinautil.Sursade energie se refer la baterii, condensatoare, volant, i diverse surse hibride. n funcie deaplicaiileindustriale, motoarele folosite necesit, de obicei opriri, porniri,accelerri i frnri dese, cuplu mare i turaie mic la urcarea pantelor, cuplu mic i turaie mare pe drum orizontal i o gam larg de turaii. Motoarele folosite sunt n principal motoare de curent continuu clasice cu excitaie serie, paralel, mixt si cu magnei permaneni.Motoarele de curent continuu au colector i perii, fiind mai puin fiabile i sunt improprii operrii fr ntreinere. Cu toate acestea, datorit controlului simplu motoarele de curent continuu sunt cele mai folosite n traciuni electrice. Progreseletehnologice aufcutcamotoarelefrcomutaieelectricsaevoluezemult. Avantajeleincludeficienmaimareicosturiledeoperaremaimici.Sunt,deasemenea,mai fiabilei aunevoiedemaipuinntreinerecomparativcumotoareledecurentcontinuucu comutaie electric Motoareleasincronesuntacceptatepescarlargcauntipdemotorfrcomutaie electricpentruvehiculeelectricedatoritcostuluiredus,fiabilitiiridicate,ioperarriifr ntreinere. Cu toate acestea, controlul motoarelor de inducie cum ar fi modificarea tensiunii sau afrecveneinupoateoferiperformaneledorite.Odatcuapariiaelectroniciideputere, controlulvectorialalmotoarelorasincroneafostacceptatpentruadepicomplexitatea controlului din cauza neliniaritii. Cu toate acestea, aceste motoare nc au o eficien sczut la sarcini sczute. Prin nlocuirea nfurrii de la motoarele sincrone clasice cu magneti permaneni, se pot eliminaperiileconvenionale,inelelecolectoareipierderilencupru.Defapt,acestemotoare sincrone cu magnei permaneni sunt numite, de asemenea motoare de curent alternativ fr perii. Deoareceacestemotoaresuntmotoaresincronenesen,elepotfialimentatedelaosurs sinusoidalsaucuimpulsurimodularefrcomutaieelectric.Cndmagneiipermanenisunt folosii se obine o gam de turaii mai larg la putere constant. Pe de alt parte, aceste motoare sunt, n general, simple i ieftine, dar cu o putere relativ sczut. Similar cu motoarele asincrone, motoarele sincrone cu magnei permaneni folosesc de obicei controlul vectorial pentru aplicaii performante.Datoriteficieneiridicateaufostacceptatecaavndunmarepotenialdea concura cu motoare de inducie pentru aplicatii ale vehiculelor electrice. Prininversareastatoruluiirotoruluidelamotoruldecurentcontinuucumagneti permaneni se obin motoarele de curent continuu fr perii. Trebuie remarcat faptul c termenul de curent continuu poate fi neltor, deoarece nu se refer la un motor de curent continuu. 19 Avantajul cel mai evident al acestor motoare este eliminarea periilor. Un alt avantaj este capacitateadeaproduceuncuplumare,datoritinteraciuniidintrecurentiflux.nplus, configuraia permite o suprafa mai mare pentru nfurarea statoric. Motoarelecureluctanvariabil(SRMs)aufostrecunoscutedeaaveaunpotenial considerabil pentru aplicaii n vehicule electrice. SRMs au avantaje clare de constructie simpl, costuldeproducieredus,icaracteristiciremarcabilecuplu-vitezpentruaplicaiintraciuni electrice.Deiposedsimplitatenconstrucie,aceastanuimplicsimplitatenproiectarei control.Dincauzasaturaieipolilordesignulidecontrolulsuntdificile.nmodtradiional, SRMsopereazcusenzoripentruadetectapoziiarelativarotoruluifadestator.Aceti senzorisunt,deobicei,vulnerabililaocurimecaniceisensibililatemperaturipraf.Prin urmare, prezena senzorului de poziie reduce fiabilitatea SRMs i produce constrngeri n unele aplicaii. 5.1 Motoare de curent continuu Motoareledecurentcontinuuaufostfolositepescarlargnaplicaiicarenecesit reglaredeturaie,porniridese,frnrisiinversarialesensuluiderotaie.Aufostaplicatepe scar larg pentru diferite aplicaii de traciune electric, datorit controlului simplu. 5.1.1 Principiu de funcionare si performan Principiuldefunctionareaunuimotordecurentcontinuuestesimplu.Atuncicndun conductorparcursdecurentelectricesteplasatntr-uncmpmagnetic,asupraacestuia acioneazoforelectromagnetic.Foraesteperpendicularpeconductoripecmpul magnetic aa cum se arat n Figura 5.2 i se calculeaz cu formula: BIL F = (5.1) 20 unde B este inducia magnetic ce se msoar n tesla ( T ),I este curentul din conductor n amperi ( A ) i L este lungimea conductorului n metri ( m ). fig.5.2 Atuncicndconductorulestenformdebobin,aacumsearatnFigura7,forele magnetice care acioneaz pe ambele laturi produc un cuplu, care este exprimat cu formula: o cos = BIL T(5.2) unde este unghiul dintre planul bobinei i cmpul magnetic. Cmpul magnetic poate fi produs denfurrisaumagneipermaneni.npractic,armaturaconstdintr-unnumrdebobine. Pentruaobineuncuplumaximicontinuu,inelelecolectoareiperiilesuntfolositepentruca fiecare bobina s fie strbtut de curentla poziia = 0.Practic, performana de motoarelor de curent continuu poate fi descris prin tensiunea rototic i fluxul magnetic. 21 nfunciedemoduldeconectareanfurriideexcitaiemotoareledecurentcontinuu pot fi clasificate n -motor cu excitaie paralel -motor cu excitaie serie -motor cu excitaie mixt -motor cu excitaie separat ncazulunuimotorcuexcitaieseparatcmpulmagneticstatoricitensiunearotoricpotfi controlateindependentunadealta.Prinurmare,uncontrolindependentalcmpuluimagnetic sau al curentului rotoric poate fi realizat prin introducerea unei rezistene. Aceasta este o metod ineficient de control. O metod eficient este de a folosi convertoare de putere c.c.-c.c. pentru a nlocui rezistena. Convertoarele c.c.-c.c. pot fi controlate pentru a produce tensiunea rotoric i statoric.ncazulunuimotorserie,curentulstatoriceegalcucelrotoric;prinurmare,fluxul statoric este n funcie de curentul rotoric. Fig.5.3 22 Ra Ia Va Circuitul echivalent n regim staionar a rotorului unui motor de curent continuu este prezentat n figura 5.4. Rezistena Ra este rezistena circuitului rotoric. Pentru motoarele cu excitaie separat sauparalelesteegalcurezistenanfurrilorrotorice,pentrumotoarecuexcitaieseriei mixt, este suma rezistenelor statoric i rotoric. Ecuaiile de baz ale motoarelor de c.c. sunt: a a aI R E V + =m eK E |e =(5.3) a eI K T | =(5.4) unde| este fluxul pe poli n webber, Ia este curentul rotoric n amperi, Va este tensiunea rotoric n voli, Ra este rezistena rotoric n ohmi, meeste viteza unghiular a rotorului, T este cuplul dezvoltat de motor n Nm.

Fig.5.4 Din ecuaiile 5.3 i 5.4 se obine: maeaeRKVRKT e| |2) ( =(5.5) Ecuaiile 5.3, 5.4 i 5.5 se aplic pentru toate motoarele de curent continuu i anume cu excitaie separat, serie, i mixt. n cazul motoarelor cu excitaie separat, dac tensiunea de excitaie se menineconstant,sepoatepresupunecfluxulesteconstantdaccuplulsemodific.nacest caz, caracteristica cuplu-turaie aunui motor cu excitaie separat este o linie dreapt, dup cum se arat n Figura 5.5. 23 0 Viteza unghiular a rotorului meeste determinat de tensiunea rotoric i tensiunea de excitaie. Vitezascadeodatcucretereacuplului,ireglareavitezeidepindederezistenacircuitului rotoric.Motoarelecuexcitaieseparatsuntutilizatenaplicaiicarenecesitreglareabuna vitezei. ncazulmotoarelorcuexcitaieserie,fluxulestefunciedecurentulrotoric.nregiuneade nesaturaie a caracteristicii de magnetizare poate fi considerat ca fiind proporional cu Ia. a f I K = |(5.6) Din formulele 5.4 5.6 cuplul unui motor de c.c. cu excitaie serie este 22) (m f e aa f eK K RV K KTe +=unde rezistena circuitului rotoric Ra este suma rezistenei rotorice i rezistenei statorice. Ocaracteristiccuplu-turaiepentruunmotordec.c.avndexcitaieserieeste prezentat n figura 10. Orice cretere a cuplului este nsoit de o cretere a curentului rotoric i, prin urmare, o cretere a fluxului magnetic. Deoarece fluxul crete odat cu cuplul, viteza scade smeninunechilibruntretensiuneaindusitensiuneadealimentare.Caracteristica,prin urmare,aratoscdereexponenial.Unmotorstandardfuncioneazsubzonadesaturaie cuplu serie turaie 0.51 0.5 1 Excitaie separat sau paralel mixt Fig.5.5 24 magneticlacuplunominal.Lacuplumare(curentmare)desuprasarcin,cicuitulmagnetic ajunge n zona de saturaie i caracteristica se apropie de o dreapt. Motoareledecurentcontinuuseriesuntadecvatepentruaplicaiicarenecesituncuplu deporniremareisuprasarcin,cumecazultraciunilorelectrice.Acestaafostcazulpentru traciune electric nainte de apariia electronicii de putere. Motoarele de curent continuu serie au totuiuneledezavantaje.Nuauvoiesfuncionezefrcupludesarcinicutensiunede alimentare mare. n caz contrar, viteza lor va crete rapid pn la o valoare foarte mare. Un alt dezavantaj este dificultatea de a folosi frnarea regenerativ. n vehicule electrice se urmrete ca caracteristica cuplu turaie s aib cuplu constant sub o anumit turaie, i o putere constant la turaii mari aa cum se vede n fig.5.6.

me Fig.5.6 cuplu putere Curent rotoric Controlul tensiunii rotorice Controlul cmpului magnetic 25 cuplu turaie Scade tensiunea de alimentare cuplu turaie Scade fluxul magnetic 5.1.2 Controlul motorului de c.c. Dinfigura5.7seobservcturaiamotoruluidec.c.poatefireglatprinmodificarea tensiuniidealimentare.DactensiuneadealimentareESesteredus,scadecuplulipanta graficului rmne constant. Reducereatensiuniidealimentarenuestesinguramodalitatedeacontrolaacesttipde motor.nunelecazurisepoaterealiza,deasemenea,controlulprinmodificareafluxului magnetic.Acestlucruesteposibildacsefolosescbobinepentruacreacmpulmagnetic statoric.Dacfluxulmagneticesteredus,atuncicuplulmaximscade,pantagraficuluiscznd pn aproape de zero. Fig.5.7 26 5.1.2.1 Controlul motoarelor de c.c. cu chopper Aceast metod este folosit pentru controlul motoarelor de curent continuu, datorit unei serii de avantaje, cum ar fi: eficien ridicat, flexibilitate n control, greutate redus, dimensiuni miciirspunsrapid.nprezent,motoareledecurentcontinuucuexcitaieseparatsuntde obiceifolositelatraciune,datoritflexibilitiicontroluluitensiuniirotoriceicmpului magnetic.Pentrucontrolulunuimotordecurentcontinuunbucldeschisinbuclnchis, chopper-uloferoseriedeavantajecaurmareafrecveneimarideoperare.Frecvenamarede operarerezultlafrecvenmareatensiuniideieirei,prinurmare,maipuinevariaiin curentul rotoric i o regiune de conducie discontinu mai mic. O reducere n variaiacurentului rotoricreducepierderilenrotor.Oreduceresaueliminarearegiuniideconduciediscontinu mbuntete reglarea vitezei i rspunsul n regim tranzitoriu. Circuitulelectroniciformeledeundatensiuniiicurentuluinregimstaionarsunt prezentate n fig.5.8. O surs de tensiune decurent continuu, V,furnizeaz o sarcin inductiv prinintermediulunuicomutatorcuautocomutaieS.Afostfolositsimbolulunuicomutatorcu autocomutaiedeoareceunchopperpoateficonstruitfolosindoricedispozitivecatiristoarecu uncircuitdecomutaieforat:GTO,tranzistoaredeputere,MOSFET,iIGBT.Diodaarat direciancaredispozitivulpoateconduce.OdiodDFesteconectatnparalelcusarcina. Comutatorul S este operat periodic pe perioada T i rmne nchis pentruT tono = cu1 0 < viteza relativ dintre cmpul statoric i viteza rotoruluiseinverseaza.Prinurmare,tensiunileindusenrotoricureniiseinverseaziauo secvenfazopusdeceaastatorului.nplus,cupluldezvoltatareunsemnnegativ,maina funcionnd ca generator. (Generatorul este utilizat pentru producerea frnarii regenerative.) 5.2.2Performann regim staionar UncircuitechivalentpentrufiecarefazaaunuimotorasincronesteprezentatnFigura 20a.Cmpurilestatoricirotoricsuntlegatentreeleprintr-untransformatorideal. 1 To este raportuldetransformarecareesteegalcuns/nr,undensinrsuntnumruldespireale nfurrilor statorice i rotorice. Pentru un rotor n scurtcircuit nr= 1. Circuitul echivalent poate fi simplificat prin referire la frecvena statoric i numrul de spire. Circuitul rezultat echivalent este prezentat n figura 20b, unde 'rRi 'rX sunt rezistena rotorului i reactan fiind calculate cu urmtoarele ecuaii: 1 s ms m mss e e e e = =1 ms m sms msse e ee e= =37 ' 21 r T rR R o =' 21 r T rX X o =(5.23) Reactana statoric, reactan mutual, i reactan rotoric poate fi exprimat prin frecvena statoric i inductane lor, Ls, Lm, i LR, aa cum se arat n figura 5.16. Impedanele statoric, i rotoric pot fi exprimate ca s s sZ R jL e = +(5.24) m mZ jL e =(5.25) 'rr rRZ jLse = +(5.26) Impedana circuitului este: m rsm rZZZ ZZ Z= ++(5.27) Curenii Is i Ir se calculeaz cu: sVIZ= ' mr sm rZI IZ Z=+ (5.28) Fig.5.16 38 Puterea electric furnizat la motor este '' 23relec rRP Is=(5.29) Puterea mecanic a rotorului poate fi obinut prin scderea pierderilor din stator ca: ' 2 '3mec elec r rP P I R = (5.30) Viteza unghiular a rotorului este: 2(1 )msPe e = (5.31) Cuplul dezvoltat de motor poate fi calculat cu: mecmPTe= (5.32) Figura5.17prezintacaracteristicacuplu-alunecarepentruunmotordeinducie,careare tensiuneaifrecvenaconstante.nporiunea0ms s < < undesmestealunecareanominala motorului,cuplulcreteaproximativliniarcucretereaalunecariipnlaatingereacuplului maxim pentru s = sm apoi scade cu creterea alunecarii. Fig.5.17 motorfrn Tmax T -Tmax generator 39 La s = 1, viteza rotorului este zero, iar cuplul corespunztor este cuplul de pornire, care este mai mic dect cuplul la s = sm. Poriunea de 0