CC BY
9
ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ КОНДЕНСАТОР С МЕХАНИЧЕСКИМ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕМ
И.П. Попов, ГИП
О.Ю. Моисеев, технический директор
В.В. Харин, зам. ген. директора по научной и инновационной работе А.А. Мосин, заместитель технического директора по производству ЗАО «Курганстальмост» (Россия, г. Курган)
DOI:10.24412/2500-1000-2022-10-2-104-108
Аннотация. Целью работы является разработка технического решения по компенсации пиковых нагрузок транспортно-технологических машин с возможностью автоматического управления. Актуальность настоящего исследования обусловлена тем, что использование накопителя энергии позволит сгладить нагрузку на силовую установку и за счет этого снизить ее мощность и массогабариты. Относительно частая смена режима работы транспортно-технологической машины обусловливает эффективность и целесообразность оснащения ее накопителем энергии.
Ключевые слова: силовая установка, энергоэффективность, искусственный конденсатор, заряд, разряд, транспортно-технологическая машина, накопитель, супермаховик.
Нагрузка ряда транспортно-технологических машин, таких как бульдозеры, экскаваторы и др. имеет существенно неравномерный характер [1]. Мощность их силовой установки определяется пиковой нагрузкой. Очевидно, что при импульсной нагрузке силовая установка большую часть времени работает в недогруженном режиме.
Целью работы является разработка технического решения по компенсации пиковых нагрузок транспортно-техноло-гических машин с возможностью автоматического управления.
Актуальность настоящего исследования обусловлена тем, что использование нако-
пителя энергии позволит сгладить нагрузку на силовую установку и за счет этого снизить ее мощность и массогабариты. Относительно частая смена режима работы транспортно-технологической машины обусловливает эффективность и целесообразность оснащения ее накопителем энергии.
Математическая модель
Рассматривается инертно-емкостной накопитель энергии, в качестве которого можно использовать машину постоянного тока (или вентильную) с супермаховиком.
Подача на якорную обмотку постоянного напряжения U инициирует следующие механический и электрический процессы:
Td2ф 7 dф D
J+ k— = B2lw—i dt2 dt 2
B2lwDdф + Ri = U 2 dt
<
где J - суммарный момент инерции; k - коэффициент трения; B - магнитная индукция; 2l - активная длина проводника; w - количество витков; D - эффективный диаметр ротора; R - электрическое сопротивление [2-4].
Можно ввести параметрический коэффициент
ВЫгВ = У, (1)
Пусть начальные условия
ф(0) = ф0, ^ (0) = ш0. dt
(2)
Из уравнения электрического равновесия следует
d ф R. U
— =--i + —
dt Y Y
d 2ф _ R di dt2 Y dt'
Подстановка в первое уравнение системы дает
JR di kR. kU
----i +-= Yi,
Y dt Y Y
di --+
dt
^ Y2
k + —
K JR J ;
._k_u_
1 = J R
Пусть
Тогда
Общим решением является i = Cxe
Y2 k . kU
— + —= A,--= B
JR J J R
di A H
— + Ai = B. dt
-At
— C2 .
Частным -Подстановка его в формулу (4) дает b
0 + ac2 = b, c2 =
Искомый ток равен
С учетом (2) и (3)
= U _ ГШ0 . R R
С учетом (5)
U Y ю0 B
с =-----
1 R R A U Y^ Bл
a
■ , • Г! _ At , B
i = i + и = Ce +—
121 A
R R U _ Y
A
e -At +-.
B
A
U
R Y2 Ik + R
e ~tf x +
U
Y V k + R
(3)
(4)
(5)
U _ E0 R
U
Rk + R ,
e_x +
U
Rk + R
(6)
где E0 = Yro0. 1 _ 1 1 _ 1 1 х = R J/Y2 + J ¡к ~ R J/Y2 +(j/Y2 )(Y2/k)
При к = 0 R = да
и
1 111
-+-= — + — . (7)
I _ е -Ч', (8)
R
Х = ^ _ RCJ (9)
Формулы (8) и (9) неотличимы от формул, описывающих заряд конденсатора. При замыкании накоротко клемм якорной обмотки
I = ет. R
Эта формула неотличима от формулы, описывающей разряд конденсатора. Результаты
Выражения (6) - (9) свидетельствуют о емкостном характере рассматриваемого накопителя мощности.
Искусственная электрическая емкость накопителя [5-9] равна
с _Т
ст у2 ■
Электромеханическое сопротивление
R _ У2 ^ _ Т'
Запасаемая накопителем энергия равна
си2 ти2 тю2
w =
2 2Y 2
На рис. 1 изображена электрическая схема инертно-емкостного накопителя, на рис. 2 характер тока при его зарядке и разрядке.
Рис. 1. Электрическая схема инертно-емкостного накопителя
Рис. 2. Характер тока при зарядке и разрядке инертно-емкостного накопителя
Таким образом, предложенное устройство представляет собой электрический конденсатор с механическим энергоносителем.
Заключение. В настоящее время созданы высокоэффективные супермаховики, и даже рассматривается возможность применение их на легковых автомобилях. Очевидно, что использование маховиков на транспортно-технологических машинах, таких как бульдозеры, экскаваторы и др. значительно менее проблематично в
силу существенно менее жестких требований к общему весу.
Еще более выгодным преимуществом некоторых транспортно-технологических машин является наличие электромеханической трансмиссии (или возможности ее установки), что минимизирует разработку для них рассмотренного инертно-емкостного накопителя (искусственного электрического конденсатора) и доставляет возможность автоматического управления [10] путем изменения параметров В и
Я.
Библиографический список
1. Попов И.П. Маховик для машин с ограничениями по весу // Транспортное машиностроение. - 2022. - №7 (7). - С. 19-23. Б01: 10.30987/2782-5957-2022-7-19-23
2. Попов И.П. Теоретически установленная независимость амплитуд тока и момента синхронной машины с индуктивной нагрузкой от частоты // Вестник МЭИ. - 2019. - № 5. - С. 68-72. Б01: 10.24160/1993-6982-2019-5-68-72.
3. Попов И.П. Четыре теоремы для синхронных машин с реактивной нагрузкой // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2018. - № 28. -С. 169-178.
4. Попов И.П. Влияние частоты на амплитуды тока и момента синхронных машин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». - 2019. - Т. 19, - № 1. - С. 102-106. Б01: 10.14529/Power190112
5. Попов И.П. Электромагнитное устройство для ориентирования космических аппаратов // Космические аппараты и технологии. - 2022. - Т. 6. - № 2 (40). - С. 119-122. ёо1: 10.26732/].в1.2022.2.06
6. Попов И.П. Электромагнитный маховик для ориентирования орбитальных объектов // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. - 2019. - № 2. - С. 1517.
7. Попов И.П. Безмассовый маховик // Сборка в машиностроении, приборостроении. -2022. - № 6. - С. 273-275. Б01: 10.36652/0202-3350-2022-23-6-273-275
8. Попов И.П. Искусственные масса и упругость // Вестник Тверского государственного технического университета. - 2016. - №1 (29). - С. 7-11.
9. Попов И.П. Электромагнитный (искусственный) маховик // Вестник Псковского государственного университета. Технические науки. - 2020. - Вып. 11. - С. 29-32.
10. Попов И.П. Искусственный емкостный маховик с возможностью автоматического регулирования момента инерции // Автоматизированные технологии и производства. -2020. - №2 (22). - С. 29-31.
ELECTRIC CAPACITOR WITH MECHANICAL ENERGY CARRIER I.P. Popov, GUI
O.Yu. Moiseev, Technical Director
V.V. Kharin, Deputy General Director for Scientific and Innovative work A.A. Mosin, Deputy Technical Director for Production CJSC Kurganstalmost (Russia, Kurgan)
Abstract. The aim of the work is to develop a technical solution for compensating peak loads of transport and technological machines with the possibility of automatic control. The relevance of this study is due to the fact that the use of an energy storage device will smooth the load on the power plant and thereby reduce its power and weight. A relatively frequent change in the mode of operation of a transport-technological machine determines the efficiency and expediency of equipping it with an energy storage device.
Keywords: power plant, energy efficiency, artificial capacitor, charge, discharge, transport and technological machine, storage device, super flywheel.
