Universitatea POLITEHNICA din Bucureti

Facultatea de Inginerie Electric

Proiect la

Concepia asistat de Calculator a Acionrilor Electrice

Acionarea electric cu motor de curent continuu a unei biciclete electrice

ndrumtor: Aurelian CRCIUNESCU

Subgrup: Gheorghe FLOREA Alexandru LAZR

Grupa: 143 EA

- 1 -

Cuprins

Introducere ............................................................................................................ - 2 -

Generaliti ........................................................................................................ - 2 -

Activiti ............................................................................................................. - 2 -

Formularea temei .............................................................................................. - 3 -

Performane i restricii ..................................................................................... - 3 -

Schema bloc ....................................................................................................... - 3 -

Modele de biciclete electrice............................................................................. - 4 -

Funcionarea bicicletei electrice ............................................................................ - 5 -

Motorul de curent continuu .............................................................................. - 5 -

Variatorul de tensiune continu ........................................................................ - 6 -

Acumulatorul ..................................................................................................... - 7 -

Alegerea pieselor componente ............................................................................. - 8 -

Motorul electric ................................................................................................. - 8 -

Dispozitivele semiconductoare .......................................................................... - 8 -

Sigurana fuzibil ............................................................................................... - 8 -

Contactor i releu termic ................................................................................... - 8 -

Acumulator ........................................................................................................ - 9 -

Transmisia mecanic .......................................................................................... - 9 -

Costul total al acionrii ......................................................................................... - 9 -

Simularea acionrii ............................................................................................. - 10 -

Schema MATLAB Simulink ............................................................................... - 10 -

Rezultatele simulrii ........................................................................................ - 11 -

Puterea echivalent ......................................................................................... - 12 -

Observaii i concluzii .......................................................................................... - 13 -

Bibliografie ........................................................................................................... - 13 -

Anexe ................................................................................................................... - 14 -

Cuprins de figuri i tabele ................................................................................ - 14 -

- 2 -

Introducere

Generaliti

Bicicleta este un mijloc de transport ntlnit foarte des n zonele rurale ale rii noastre i care ncepe s i fac apariia din ce n ce mai mult i n zonele urbane. Exist orae mari din afara rii unde bicicletele depesc ca numr autovehiculele. Raportul dintre numrul de biciclete i cel al autovehiculelor este puternic influenat de nivelul de societii, principalii factori fiind mentalitatea i infrastructura societii respective, dar exist i cazuri n care dezvoltarea economic este factorul principal.

Mersul cu bicicleta prezint o serie ntreag de avantaje, avnd ns i cteva dezavantaje care nu pot fi ignorate. n ceea ce privete avantajele amintim:

pre de cost/mentenan redus n comparaie cu celelalte mijloace de transport; energia necesar deplasrii provine de la biciclist, nefiind nevoie de un combustibil

suplimentar; este ideal n aglomeraiile urbane, putndu-se strecura cu uurin n trafic i

ocup un spaiu mic atunci cnd este parcat; lipsa combustibilului suplimentare se traduce n poluare zero a mediului.

Principalele dezavantaje ale bicicletei sunt lipsa izolrii de mediul nconjurtor, biciclistul este expus fenomenelor meteorologice, i autonomia direct proporional cu efortul depus de biciclist.

Pentru a veni n ajutorul biciclitilor au aprut pe pia biciclete electrice, modul acestora de funcionare putnd fi cu acionare independent sau cu ajutor la pedalare, existnd i variante ce nglobeaz ambele funcii.

Activiti

n Tabel 1 - Lista de activiti regsim activitile necesare realizrii acestui proiect. Fiecrei activiti i este atribuit o anumit perioad de timp, putnd exista n acelai timp mai multe activiti n desfurare.

Tabel 1 - Lista de activiti

1. Formularea temei

2. Documentare

3. Concepie, variante

4. Alegerea componentelor de for

5. Elaborarea comenzii

6. Modelarea matematic

7. Elaborarea schemei de simulare

- 3 -

8. Predeterminri de caracteristici

9. Calcule economice

10. Redactare documentaie; raport final i prezentare

Formularea temei

Se va proiecta o acionare electric cu motor de curent continuu a unei biciclete electrice. Cu ajutorul datelor calculate, prin intermediul datelor nominale ale motorului i a performanelor impuse, se va simula pornirea n sarcin, mersul n sarcin nominal, frnarea i se va efectua verificarea termic a motorului.

Performane i restricii

n ceea ce privete performanele, ct i restriciile impuse bicicletei electrice, vom avea:

Pre .................................................................................................... 10 000 lei Greutate ................................................................................................... 25 kg Autonomie ............................................................................................... 25 km Vitez maxim .......................................................................................... 30 km/h Mas maxim admis .............................................................................. 80 kg Timp de ncrcare ...................................................................................... 4 ore Tip motorizare.............................................................. asistare la pedalare - Recuperare energie ................................................................................. da -

Schema bloc

Figur 1 - Schema bloc a unei biciclete electrice

- 4 -

Modele de biciclete electrice

Tabel 2 - Exemple de biciclete electrice

Bicicleta aleas ca model din punct de vedere al performanelor este: ZTECH ZT-72. Aceasta are performanele cele mai apropiate ca valori de cele dorite.

Productor: model

Tip motorizare: Asistare electrica

(AE)/Independenta (Ind)

Motor Baterie Vitez

maxim [km/h]

Autonomie [km]

Greutate [kg]

Pre [RON] Putere

nominal [W]

Tensiune nominal

[V]

Capacitate [Ah]

Timp de ncrcare

[h]

ZTECH: ZT-72 AE 250 36 6.6 4 25 50 19 4.600

A2B: Galvani AE 250 36 10 4-6 25 90 23 8.800

A2B: Hybrid 26 AE 250 36 10 5-7 25 70 27 11.900

A2B: Octave AE+Ind 500 36 12 4-5 25 70 37 15.000

Volton: Alation 500 AE+Ind 500 48 11 4 32 65 24 8.000

Haibike: Xduro FS RX

AE+Ind 550 36 11 3.5 32 100 22 17.500

- 5 -

Funcionarea bicicletei electrice

Motorul de curent continuu

Un motor electric (sau electromotor) este un dispozitiv electromecanic ce transform energia electric n energie mecanic. Transformarea n sens invers, a energiei mecanice n energie electric, este realizat de un generator electric. Nu exist diferene de principiu semnificative ntre cele dou tipuri de maini electrice, acelai dispozitiv putnd ndeplini ambele roluri n situaii diferite.

Motoarele electrice pot fi clasificate dup tipul curentului electric ce le parcurge: motoare de curent continuu i motoare de curent alternativ. n funcie de numrul fazelor curentului cu care funcioneaz, motoarele electrice pot fi motoare monofazate sau motoare polifazate (cu mai multe faze).

Motorul de curent continuu funcioneaz pe baza unui curent ce nu-i schimb sensul, curent continuu. n funcie de modul de conectare al nfurrii de excitaie, motoarele de curent continuu se mpart n patru categorii:

cu excitaie derivaie;

cu excitaie serie;

cu excitaie mixt;

cu excitaie separat (independent). (Motor Electric, 2015)

{

= + +

= = = () =

unde:

A1, A2 bornele indusului;

Ub tensiunea la bornele indusului;

Ia curentul prin indus;

E tensiunea electromotoare;

Ra rezistena indusului;

Up cderea de tensiune la perii;

n turaia rotorului

M, Ms cuplu dezvoltat de motor, respectiv cuplu de sarcin;

F1, F2 bornele excitaiei;

Ue, Ie tensiunea, respectiv curentul excitaiei.

Figur 2 - Schema i ecuaiile motorului de curent continuu

- 6 -

Variatorul de tensiune continu

Variatorul de tensiune continu (VTC) este un convertor static de putere ce realizeaz o conversie CC-CC. Acesta are la intrare o tensiune continu, iar la ieire tot o tensiune continu a crei valoare medie poate fi egal sau diferit de cea de la intrare.

Variatoarele de tensiune continu pot fi clasificate n funcie de sensul mrimilor electrice astfel:

unidirecionale n curent i unidirecionale n tensiune (1 cadran);

unidirecionale n curent i bidirecionale n tensiune (2 cadrane);

bidirecionale n curent i unidirecionale n tensiune (2 cadrane);

bidirecionale n curent i bidirecionale n tensiune (4 cadrane);

Pentru alimentarea (regim de motor) i frnarea (regim de generator) unui motor electric cu acelai sens de rotaie (aplicaie tip traciune) se utilizeaz un chopper reversibil n curent (funcionare n cadranele I i II). De asemenea, pentru alimentarea unei maini electrice cu schimbarea sensului de rotaie (aplicaie tip ascensor) se utilizeaz un chopper reversibil n tensiune (funcionare n cadranele I i IV).

Figur 3 - Variator de tensiune continu n dou cadrane (I i II)

Figur 4 - Caracteristicile de ieire ale VTC (cadranele I i II)

- 7 -

Acumulatorul

Performanele acumulatorului

Principalul i cel mai important scop al unei baterii este de a stoca ct mai mult energie pentru a putea alimenta motorul ct mai mult timp i ca acesta s poat funciona o perioad de timp ct mai mare. Cel mai solicitant proces pentru o baterie este descrcarea i ncrcarea, de aceea bateriile trebuie s reziste ct mai mult timp acestui proces fr s i piard capacitatea de stocare.

Rspunsul la aceste ateptri va depinde n mare msur de tehnologia i materialele utilizate la fabricarea bateriei. Cea mai utilizat tehnologie de astzi este bateria pe baz de litiu. Aceste baterii pot stoca ntre 80 i 200 Wh per kilogram de baterie. Prin aceast capacitate de stocare se nelege c se poate parcurge o distan de aproximativ 25 de km cu o baterie de la 2,6 la 6,5 kg.

Unele baterii litiu-ion pot suporta pn la 2000 de cicluri ncrcare/descrcare, funcioneaz pn la 10 ani pstrnd peste 80% capacitatea de stocare.

Criteriile de alegere

Puterea bateriei reprezint primul indicator al performanei bateriei. Puterea se msoar n wai (W) i reprezint cantitatea de energie electric pe care o baterie o poate furniza, la un moment dat. Pentru un motor puternic sau o acceleraie puternic este necesar ca bacteria s fie capabil s furnizeze o putere mare.

Timpul de ncrcare este timpul necesar pentru a rencrca o baterie. Acest timp poate varia n funcie de tipul de ncrctor utilizat.

Energia stocat se msoar n wai-or (Wh). Astfel, o baterie de 1 kWh ar putea furniza energia necesar alimentrii unui motor cu o putere de 1000 W timp de o or. Mai mult energie stocat nseamn o autonomie mai mare pentru vehiculul electric.

Durata de via se refer la capacitatea bateriei de a suporta ct mai multe cicluri ncrcare/descrcare fr a pierde capacitatea de a stoca energia. Durata de via a bateriei se msoar n cicluri de ncrcare. Din nefericire dup un anumit numr de cicluri, bateria ncepe s i piard din performane. S-a aproximat c dup un numr de 2000 de cicluri bateriile Li-ion pierd mai mult de 20% din capacitatea de stocare.

Figur 5 - Densitatea de energie a acumulatorilor

- 8 -

Alegerea pieselor componente

Motorul electric

Motorul electric ales este produs de Midwest Motion Products, modelul S27-411E-24V ce are urmtoarele date nominale:

Tensiune nominal - Ua .................................................................. 24 [V]

Curent nominal - Ia ...................................................................... 13,4 [A]

Turaie nominal n .................................................................. 3462 [rot/min]

Putere nominal - Pn .................................................................... 282 [W]

Cuplu nominal Mn ..................................................................... 0,77 [Nm]

Cuplu maxim - Mmax ..................................................................... 6,61 [Nm]

Rezistena indusului - Ra .............................................................. 0,21 []

Inductivitatea indusului - La ......................................................... 0,19 [mH]

Dispozitivele semiconductoare

Avnd curentul nominal al motorului electric putem alege dispozitivele semiconductoare din cadrul variatorului de tensiune continu. Acestea trebuie s aib un curent nominal mai mare dect dublul valorii nominale a curentului motorului i o tensiune invers (VCE) mai mare dect tensiunea de alimentare. Am ales un modul IGBT cu diod n antiparalel produs de Siemens, modelul BUP 603D cu urmtoarele caracteristici:

Tensiune invers VCE .................................................................. 600 [V]

Curent nominal - IC ......................................................................... 42 [A]

Sigurana fuzibil

Dup ce am ales dispozitivele semiconductoare putem alege sigurana fuzibil ce asigur ntreruperea circuitului naintea distrugerii dispozitivelor semiconductoare. Curentul nominal al siguranei trebuie s fie cuprins ntre dublul valorii nominale a curentului motorului i curentul nominal (IC) al dispozitivului semiconductor. Am ales o siguran fuzibil produs de Edison, modelul ECSR30 cu urmtoarele caracteristici:

Curent nominal In......................................................................... 30 [A]

Curent de rupere IR .................................................................... 200 [kA]

Contactor i releu termic

Pentru a asigura protecia la regimurile de suprasarcin vom aduga un contactor cu releu termic. Caracteristicile necesare pentru acesta fiind asemntoare cu dispozitivele de mai sus. Am ales astfel un modul contactor cu releu termic produs de Siemens, modelul 3RT1016-1BB41.

- 9 -

Acumulator

Pentru alegerea acumulatorului vom calcula energia necesar obinerii unei autonomii de cel puin 25 km la vitez maxim. Trebuie s lum n calcul i coeficientul de descrcare al acumulatorului (dm) pentru a avea o durat de via ridicat a acestuia.

=

1

= 282

30

251

0.7 484

Am ales acumulatorul Li-Ion Polymer cu urmtoarele date caracteristici:

Tensiune nominal Vn ............................................................... 25,9 [V]

Capacitate Ebat ........................................................................... 518 [Wh]

Numr de cicluri ......................................................................... >300 -

Curent de descrcare maxim Imax ................................................... 30 [A]

Transmisia mecanic

Bicicleta pe care va fi montat acionarea electric este dotat cu o roat ce are raza r=30 cm. Avnd raza roii bicicletei, turaia nominal a motorului i viteza maxim putem calcula raportul transmisiei mecanice:

=

2 60

=

2 3465608.50.3

13

Pentru a putea realiza un astfel de raport de transmisie motorul va fi echipat cu un reductor ce va reduce turaia la 135 rpm. Astfel, transmisia va fi de tip pinioane cu lan cu un raport de transmisie 2:1.

Costul total al acionrii

Motorul electric ......................................................................... 1 000 [RON]

Dispozitivele semiconductoare .................................................... 850 [RON]

Sigurana fuzibil ........................................................................... 50 [RON]

Contactor i releu termic ............................................................. 200 [RON]

Acumulator ............................................................................... 2 250 [RON]

Cabluri i alte accesorii* .............................................................. 750 [RON]

Cost total ................................................................................... 5 000 [RON]

* alte accesorii includ controlerul, traductoarele, ncrctorul, transmisia mecanic, etc.

- 10 -

Simularea acionrii

Schema MATLAB Simulink

Schema este alctuit dintr-un dispozitiv de impunere al turaiei al crei ieire intr n primul sumator, alturi de turaia msurat a motorului. Urmeaz regulatorul de turaie mpreun cu limitarea curentului maxim prin indus. Eroarea de curent este introdus n regulatorul de curent, iar acesta realizeaz comanda VTC-ului. Ieirea VTC-ului reprezint tensiunea de alimentare a motorului de curent continuu.

Figur 6 - Schema MATLAB Simulink de simulare a acionrii

- 11 -

Rezultatele simulrii

Am simulat pornirea, mersul la turaie nominal i frnarea acionrii, avnd o sarcin nominal cuplat la ax. Observm c acionarea funcioneaz corect, avnd un curent maxim egal cu dublul valorii curentului nominal (impus prin proiectare), turaia se stabilizeaz la turaia nominal ceea ce indic o bun funcionare a regulatoarelor.

Figur 7 - Evoluia curentului prin indus i a turaiei

- 12 -

Figur 8 - Evoluia vitezei unghiulare, a cuplului i a puterii

Puterea echivalent

Cu ajutorul rezultatelor obinute vom calcula puterea echivalent a motorului pentru a ne asigura c aceasta nu depete puterea nominal a motorului.

= 12 1 + 2

2 2 + 32 3 + 4

2 41 + 2 + 3 + 4

Pv e maximul puterii atinse; Pv=570 W (din grafic);

P1 e puterea de accelerare; P1=Pv/2;

P2 e puterea de regim permanent; P2=Pn;

P3 e puterea de frnare; P3=Pv/2;

P4 e puterea cnd motorul este oprit; P4=0;

asemntor pentru timpi (t1=24s; t2=10s; t3=12s; t4=5s;).

= 2852 24 + 2822 10 + 2852 12 + 0 5

24 + 10 + 12 + 5 270 < = 282

- 13 -

Observaii i concluzii

Turaia nominal este cu 12 % mai mic dect turaia de mers n gol.

Timpii de accelerare i de frnare ai sistemului pot s difere n funcie de sarcina bicicletei, condiiile meteorologice, suprafaa de rulare.

Autonomia poate fi extins foarte uor prin punerea n paralel a doi acumulatori de acelai tip.

Costul total reprezint costul sistemului de acionare, nu i a bicicletei pe care va fi montat.

Proiectul i-a atins scopul, acela de a realiza o acionare electric cu motor de curent continuu, funcional care s se ncadreze ntr-un anumit buget.

Lipsa reglementrilor cu privire la circulaia bicicletelor electrice, altele dect codul rutier, face ca bicicleta electric s uor accesibil publicului larg.

n ciuda preului ridicat n comparaie cu soluiile clasice, fr o propulsie suplimentar n afar de traciunea uman, piaa bicicletelor electrice continu s creasc, ceea ce va face ca n anii urmtori preul acestora s fie accesibil pentru mai multe categorii de venituri.

Bicicleta electric reprezint varianta ideal pentru parcurgerea distanelor mari cu bicicleta, reducnd efortul depus i oboseala resimit n urma unor astfel de deplasri, dar pstrnd n acelai timp plcerea de a pedala.

Bibliografie

Curs Concepia asistat de Calculator a Acionrilor Electrice, Aurelian CRCIUNESCU, 2015

Curs Convertoare Electromecanice, Leonard MELCESCU, 2014 Curs Convertoare Statice II, Dan FLORICU, 2014 http://www.alldatasheet.com/ http://www.electric-bicycle-guide.com/electric-bicycle-parts.html https://ro.wikipedia.org/wiki/Motor_electric

- 14 -

Anexe

Cuprins de figuri i tabele

Figur 1 - Schema bloc a unei biciclete electrice ................................................... - 3 -

Figur 2 - Schema i ecuaiile motorului de curent continuu................................ - 5 -

Figur 3 - Variator de tensiune continu n dou cadrane (I i II) ......................... - 6 -

Figur 4 - Caracteristicile de ieire ale VTC (cadranele I i II) ................................ - 6 -

Figur 5 - Densitatea de energie a acumulatorilor ................................................ - 7 -

Figur 6 - Schema MATLAB Simulink de simulare a acionrii ............................ - 10 -

Figur 7 - Evoluia curentului prin indus i a turaiei ........................................... - 11 -

Figur 8 - Evoluia vitezei unghiulare, a cuplului i a puterii ............................... - 12 -

Tabel 1 - Lista de activiti ..................................................................................... - 2 -

Tabel 2 - Exemple de biciclete electrice ................................................................ - 4 -