Управление режимами работы электромеханической трансмиссии с молекулярным накопителем энергии Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОСТРОСНИС И МАШИИОКДІНИІ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ 11<

удк62з.б 18 э. А. КУЗНЕЦОВ

Д. П. ПРОЗОРОВ

Омский танковый инженерный институт Федеральное государственное учреждение «38 Научно-исследовательский испытательный институт Министерства обороны РФ», Московская обл.. Одинцовский р-н, п. Кубинка

УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМАМИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИИ С МОЛЕКУЛЯРНЫМ НАКОПИТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ

Разработаны предложения по оснащению электромеханических трансмиссий машин молекулярным накопителем энергии. Определены соотношения параметров генератора, емкостного накопителя энергии и тягового электродвигателя, обеспечивающие требуемый уровень тягово-динамических свойств машин в заданных внешних условиях движения.

Ключевые слова: комбинированный привод, накопитель энергии, потоки мощности.

Разработка электромеханической трансмиссии (ЭМТ) для транспортной машины (ТМ) сопряжена с решением задач устранения «провалов» напряжений при резком увеличении нагрузки, снижения уровня бросков напряжений и ’гаков в сети питания вследствие рекуперации энергии от исполнительных двигателей электроприводов при торможении и реверсировании, снижении уровня пульсаций напряжения в сети питания при резко-переменной нагрузке и т.д

Указанные задачи могут быть решены посредством введения в состав ЭМТ молекулярных емкостных накопителей электрической энергии [1]. Эффективность применения молекулярного накопителя с электроприводом определяется схемой коммутации электрических машин, структурой, параметрами и алгоритмом функционирования системы управления. Функциональная схема системы управления движением ТМ с ЭМТ представлена на рис. 1.

Особенность предлагаемой схемы заключается в установке блока управления и коммутации, предназначенного для переключения молекулярного накопителя энергии на заряд или разряд по команде микропроцессорного блока управления в зависимости от режима работы электропривода и изменения направления и величины напряжения и тока на тяговом электроприводе (ТЭД).

Автоматическая система управления шасси ТМ с ЭМТ, содержащая микропроцессорный блок управления, блок коммутации и управления, датчиковую аппаратуру, информирующую о состоянии и режимах работы систем и агрегатов машины, и исполнительные элементы, обеспечивает запуск тягового двигателя внутреннего сгорания (ДВС), разгон, движение с постоянной скоростью (режим стабилизации скорости), повороты и торможение машины.

Блок коммутации и управления в совокупности с микропроцессорным блоком управления осуществляет подключение накопителя: на разряд при провалах напряжения на ТЭД (при резком увеличении нагрузки, при работе ДВС на режимах максимальной мощности) и на электродвигателе поворота (при уне-

личении момента сопротивления повороту), а также при разгонах машины в качестве усилителя мощности; на заряд от основного генератора при остановках машины и при переходе ТЭД и электродвигателя поворота в тормозной режим работы для поглощения электроэнергии рекуперации.

После запуска двигателя оператором в зависимости от степени заряженности емкостной накопитель энергии по команде микропроцессорного блока управления может быть подключен на заряд осуществляемый с помощью зарядного устройства. По мере заряда емкостной накопитель энергии отключается от зарядного устройства блоком коммутации и управления также по команде микропроцессорного блока. Состояние молекулярного накопителя определяется в результате обработки сигналов датчиковой аппаратуры, поступающих в микропроцессорный блок управления.

При разгоне, увеличении нагрузки, работе тягового ДВС на режимах максимальной мощности, поворотах в тяжелых условиях местности автоматическая система управления по мере необходимости параллельно с генератором осуществляет подключение к ТЭД и электродвигателю поворота молекулярных накопителей, используя их в качестве усилителя мощности. Это позволяет повысить крутящий момент на ведущих колесах машины и снизить ток нагрузки /г генератора, обеспечивая улучшение тягово-динамических и топливно-экономических свойств ГМ:

І_=І -I ,

(1)

При этом подводимая к ТЭД мощность равна сумме мощностей, развиваемых генератором и емкостным накопителем:

Р = Р. +

(2)

В процессе торможения машины электродинамическим способом энергия, вырабатываемая ТЭД при переходе в генераторный режим, запасается

Рис. 1. Функциональная схема системы управления движением транспортной машины с электромеханической трансмиссией

молекулярными накопителями с целью дальнейшего ее использования. В случае необходимости (когда потребный зарядный ток молекулярного накопителя 1мрец превышает ток 1а, вырабатываемый ТЭД в генераторном режиме) параллельное электродвигателем к молекулярному накопителю для его зарядки подключается генератор. Тогда

Іх,р*н=Іа + !ґ

(3)

а потребная мощность генератора определяется выражением:

14)

где Ра - мощность, отдаваемая ТЭД в генераторном режиме.

Рассмотрим прямолинейное движение машины, описываемое уравнением:

ющая движение машины, здесь М^—момент на ведущем колесе, Г" - радиус ведущего колеса; М ^ - момент на валу ТЭД, 1^—передаточное число редук-тора; т| - КПД редуктора;

Ре = /ГСН—сила сопротивления движению, здесь См- вес машины, (е— суммарный коэффициент сопротивления движению.

Решив уравнение (5) относительно момента получим по аналогии с [2,3]

(6)

Момент на валу ТЭД также может быть описан выражением:

ФІ.

(7)

где см—коэффициент пропорциональности, постоянный для данной электрической машины;

Ф—магнитный поток электродвигателя;

/ — ток нагрузки ТЭД.

С учетом уравнений (6) и (7) запишем выражение для тока нагрузки /эд, необходимого для реализации требуемого режима движения ТМ в заданных внешних условиях:

(«£+/«<*).

(8)

Ток, вырабатываемый ТЭД при переходе в гене* раторный режим, рассчитывается но формуле

Е»-и,

(9)

где ^ — напряжение на выводах ТЭД в генераторном режиме;

Ка - сопротивление якорной цепи;

ЕаСрПФ — ЭДС якоря, здесь п — частота вращения якоря, св-коэффициент пропорциональности, постоянный для данной электрической машины.

С учетом зависимости частоты вращения якоря ТЭД от скорости движения ТМ, представленной (|юр-мулой (10), выражение для определения тока нагрузки ТЭД при работе в генераторном режиме можно преобразовать к виду (11).

V •/

реп

2 П'ГЛ

и.

2лг ЯаГв

(10)

(11)

Напряжение заряда накопителя определяется уравнением вида:

иен=и{\-е г)

(12)

(IV г т—— = гТ Ж 1

где ш - масса машины;

М

—г - ускорение движения машины;

(5)

— сила тяги, обеспечива-

где (/—конечное напряжение на выводах накопителя;

I - время заряда;

I постоянная времени цепи заряда,

здесь: С^— емкость накопителя энергии; ^-эквивалентное сопротивление цепи тягового электродвигателя; —сопротивление емкостного накопителя.

Напряжение разряда накопителя определяется выражением:

*

кип

ІЙ НАУЧНЫЙ КСТНИК № 2 (90) 2010 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОІШНИІ

ИЗ)

Уравнение для определения тока заряда (разряда) накопителя имеет вид:

'"'щ&й*'- (,4)

Пусть неравномерное движение машины (при управляющих воздействиях оператора) осуществляется с ускорением, изменяемым по закону:

А

—т- = фАи соя (і)і,

Ж у 7

(15)

где А у—амплитуда изменения скорости;

V/- круговая частота изменения скорости;

^ = *(+Д*—текущее время движения машины,

1 = 1,2..].

Тогда периодическое изменение скорости движения ТМ будет описываться выражением вида:

V = V., + А^ши^

(16)

Уя—постоянная составляющая скорости (ІУ

>0 движение ускоренное, энергия

где движения.

Для случая . накопи теля используется для разгона машины. При

— < о движение замедленное, энергия, вырабатываемая электродвигателями при торможении, используется для заряда накопителей.

Требования к емкости молекулярного накопителя определяются объемом энергии, вырабатываемой ТЭД в процессе торможения машины и используемой в дальнейшем для реализации высоких тяговодинамических свойств ТМ и минимизации мощности генератора. Вследствие этого при разработке ЭМТ с молекулярным накопителем энергии необходимо обосновать емкость накопителя Сеи, обеспечивающего, с одной стороны, возможность его заряда за счет энергии, вырабатываемой ТЭД в генераторном режиме, а с другой - сохранение требуемых тяговодинамических свойств машины при использовании генератора пониженной мощности.

Соотношение мощности генератора и емкости молекулярного накопителя, обеспечивающее требуемый уровень тягово-динамических свойств ТМ в заданных внешних условиях движения для слу-(/V

чая — > 0 определяется выражением Рг= — Реи или с учетом формул (2), (8), (13) и (14):

и1

где 1Г - время торможения ТМ. .у

В случае равномерного движения, когда — = 0, и

ш

работе генератора и ТЭД на частичных характеристиках (при движении ТМ с неполной нагрузкой на генератор и тяговый ДВС) питание электроприводов и заряд накопителей осуществляется от генератора

'■рслПрслСм0

и2

/сСА / +

*3

<ен1Кц+Кен)

), (19)

где 13 — время заряда накопителя.

Молекулярный накопитель энергии при необходимости (в случае разряда) также подключается на заряд при работе ТМ на месте.

Таким образом, требования к емкости молекулярного накопителя определяются объемом энергии, вырабатываемой ТЭД в процессе торможения машины, и используемой в дальнейшем для реализации высоких тягово-динамических свойств ТМ и минимизации мощности генератора. Вследствие этого при разработке ЭМТ с молекулярным накопителем энергии необходимо обосновать емкость СЛ( накопителя, обеспечивающего, с одной стороны, возможность его заряда за счет энергии, вырабатываемой ТЭД в режиме электродинамического торможения (при переходе в генераторный режим), а с другой — сохранение требуемых тягово-динамических свойств машины при использовании генератора пониженной мощности.

Выбор параметров генератора, емкостного накопителя энергии и ТЭД в зависимости от дорожногрунтовых условий и режимов движения машины может быть осуществлен с использованием зависимостей (17), (18) и (19), полученных в результате анализа процессов функционирования ТМ с ЭМТ.

Библно1 рцфнческий список

1. Хортов. В. П. 11овое направление в электрооборудовании АТС/Автомобили 1аяпромышленность. - 1999. - N«9.— С. 13—15.

2. Савичкин, В.А Статистическая динамика транспортных и тяговых машин / В.А Савочкин. АА Дмитриев. — М.: Машиностроение. 1990. - 320 с.

3. Исаков. П.П. Электромеханические трансмиссии гусеничных тракторов / П.П. Исаков. П.Н. Иванченко, АД Егоров - А: Машиностроение, 1981. — 302 с.

где — время разгона ТМ.

На режимах торможения при молекулярный накопитель энергии подключается к сети, обеспечивая использование энергии рекуперации, вырабатываемой электроприводами при торможении машины, за счет ее аккумулирования. При этом с учетом формул (10), (11), (12) и (14) выражение (17) принимает вид

и•

(/?„ + Кен)

ІЕїїІ

СЕФУ

ред

2л-

ид

Цд

К.

(18)

КУЗНЕЦОВ Эрнст Андреевич, кандидат технических наук, профессор, заведкющий кафедрой технической механики Омского танкового инженерного института

ПРОЗОРОВ Денис Павлович, старший научный сотрудник.

Адрес для переписки: 644098, г. Омск, 14 военный городок, ОТИИ.

Статья поступила в редакцию 30.04.2010 г.

© Э. А Кузнецов, Д. II. Прозоров