CC BY
8
DOI: 10.15587/2312-8372.2017.99929
ДOСЛIДЖЕННЯ OСOБЛИВOСТЕЙ ПРOВЕДЕННЯ ДЕKOМПOЗИЦIÏ ТЯГOВИX ЕЛЕKТРOПРИВOДIВ РУXOМИX ЕЛЕKТРOТЕXНIЧНИX KOM^EKcrn
Kулагiн Д. O., Яценкo Д. В.
1. Вступ
Вдoскoнaленню oкpемих елементiв дизель-генеpaтopнoï електромехашчно!" системи присвячено знaчну кiлькiсть poбiт. Нaпpиклaд, в [1-4] пoкaзaнo B3aeM-ний вплив oкpемих rpyn елементiв зaгaльнoпpoмислoвих електpoпpивoдiв, зок-pемa перетворювач-тяговий двигун, тяговий двигун-редуктор на загальний по-тенцiaл енергетично1' ефективнoстi за статичним характеристиками. Проте, еле-ктроприводи транспортних зaсoбiв e бiльш складними за структурою, мютять бiльшу кiлькiсть груп пoeднaних мiж собою елементiв. Отже вони можуть мати бшьший енергетичний потенщал в paзi виявлення взaeмнoгo впливу мiж група-ми даних елемен^в за статичними характеристиками.
Виршити завдання пiдвищення енергетичного пoтенцiaлу електромехаш-чно1' системи можливо тiльки комплексно. При цьому необхщно розглядати встановлений режим роботи всieï системи взагаш, з урахуванням умов ращона-льно1' роботи ïï окремих кoмпoнентiв за умови врахування взaeмoзв'язку мiж ними. Адже досить частою e практична ситуащя, коли ращональний режим роботи окремих елеменпв електpoмехaнiчнoï системи та оптимальне керування ними не призводить до роботи всieï системи на екoнoмiчнiй хapaктеpистицi. Це, як наслщок, збiльшуe споживання piвня дизельного палива. I навпаки, штучний примус роботи дизеля на екoнoмiчнiй характеристик призводить до роботи вказаних електричних елементiв всieï електpoмехaнiчнoï системи зi значними втратами пoтужнoстi.
Використання комплексного, взaeмoпoв'язaнoгo пiдхoду, за якого обира-eться нaйбiльш енергоефективний режим роботи всieï системи, дозволить вирь шити вказану проблему. Причому кожний елемент системи працюватиме у нaйбiльш енергетично ощадному pежимi, котрий e тшьки можливим за такого стану електромехашчно1" системи. Це можливо виконати з урахуванням синер-гетичних властивостей електромехашчно1" системи.
2. O6'eKT дoслiдження та ^ro технoлoгiчний аудит
Об 'ектом до^дження e системи тягових електpoпpивoдiв рухомих елект-poтехнiчних кoмплексiв на oснoвi piзних типiв двигунiв.
При вибopi структури тягового електроприводу рухомого електротехшч-ного комплексу неoбхiднo виходити з положення, що первинна силова установка, тяговий генератор, тяговий перетворювач, система власних потреб, тяговий двигун та пара редуктор - колесо розглядаються не як oкpемi компоненти чи шдсистеми для шдвищення 1'х енергетичного пoтенцiaлу. Вони e складовими частинами всього тягового електроприводу, енергетичний потенщал якого по-
винен максимiзуватись за обраними принципами лише в цшому. При цьому рь шення окремих завдань щодо даних шдсистем е необхiдним лише для забезпе-чення вибору рацiональних показниюв роботи всього тягового електроприводу.
Вщомо, що електромеханiчна система е синергетичною [1]. Синергетична концепцiя пiдвищення енергоефективност дизель-генераторно! системи транспортного засобу базуеться на тому, що у такш системi кожен силовий елемент призначеш максимiзувати сво! технiко-економiчнi показники. При цьому кож-ний елемент повинен компенсувати недолжи один одного, та шдвищити енер-гетичний потенщал вЫе! дизель-генераторно! електромехашчно! системи. Для встановлення меж шдвищення енергетичного потенщалу системи першочерго-вим е завдання зворотно! декомпозици електромехашчно! системи та встановлення взаемозв'язку мiж енергетичним потенщалом отриманих пiдсистем та вше! системи в цшому.
Вщповщно до синергетичного шдходу та методу декомпозици будемо роз-глядати елементи складно! iерархiчно! структури електромехашчно! системи -синхронний генератор, перетворювач, тяговий двигун, редуктор, колесо, систему керування як окремi шдсистеми. Данi шдсистеми пiдпорядкованi одна однiй i мiж ними iснуе взаемний вплив.
Для використання синергетичних властивостей електромехашчно! системи необхщно розглядати внутрiшнi взаемоди мiж елементами загально! замкнуто! системи для досягнення максимального ефекту роботи вЫе! системи, а не лише окремого об'екта чи шдсистеми. Тобто побудову структури тако! системи не-обхщно розглядати в напрямку врахування взаемних впливiв мiж компонентами декомпозовано! електромеханiчно! структури.
Отже, надалi будемо розглядати методи забезпечення енергоефективного режиму роботи кожного з елеменлв iерархiчно! структури електромехашчно! системи поодинцi та у сукупность Це необхiдно для досягнення найбшьш раць онального рiвня споживання дизельного палива при встановлеш технологiчних показникiв роботи всього транспортного засобу. Виконаемо декомпозицш ти-пово! послiдовно! структури дизель-генераторно! електромеханiчно! системи транспортного засобу, зображену на рис. 1.
г
L
H
L
4 група
Рис. 1. Структурна схема дизель-генераторно! електромехашчно! системи
транспортного засобу
На рис. 1 Д - дизель, Г - генератор, НЕ - накопичувальний елемент, П -перетворювач, ТД - тяговий двигун, Р - редуктор, КП - колюна пара.
3. Мета та задачi дослвдження
Проведет дослщження ставили за мету визначення особливостей прове-дення декомпозици систем тягових електроприводiв для рiзних видiв та конс-трукцш рухомих електротехшчних комплексiв.
Для досягнення поставлено! мети виршувалися наступнi задача
1. Аналiз практичного досвiду декомпозици систем тягових електропри-водiв.
2. Узагальнення методики декомпозици структури та параметрiв тягових електроприводiв при заданих вимогах з боку рухомого електротехшчного комплексу.
4. Дослвдження кнуючих р1шень проблеми
Основна iдея теори складних систем полягае в тому, що поведшку цiлого не можна передбачити з властивостей його частин. Так само впливаючи на ко-жну частину системи окремо не можна досягти максимального ефекту для вЫе! системи взагаль Взаемодiя мiж елементами системи вносить значний вплив на роботу вше! системи. Це властивють систем називаеться «емерджентшсть»: щ-
ле вiдрiзняеться вщ суми складових його частин, тому що головне - це те, як протжае взаемодiя мiж частинами. Притому цi взаемоди можуть пiдкорятися дуже простим правилам. Тому складш системи необхiдно розглядати лише у сукупност^ використовуючи метод для оптимiзащl складних систем - синерге-тичний метод, який в останнш час поодиноко, але дуже ефективно використо-вуеться для мехатронних систем. Завдяки широкому застосуванш результата дослiджень з мехатронiки сьогоднi на транспорт можна видiлити спецiальний напрям розвитку ще! галузi науки - транспортну мехатрошку [1]. Вона присвя-чена аналiзу проблем сполучення та оргашзаци взаемоди транспортних елект-ромехашчних й електронних вузлiв, агрегатiв та телематичних приладiв та систем у процес експлуатацп транспортних машин для отримання синергетичного ефекту [2]. Тому мехатрошка та телематика на основi синергетики транспортних машин та систем е основною складовою новггшх шформацшно-комунiкацiйних технологiй.
Будь-яка транспортна машина чи система е сукупшстю приладiв, пристрой, вузлiв та агрегатiв, що об'еднують техшчш засоби для забезпечення технологiй:
- мехашчно! (процес пересування машин у просторi та часi);
- електронно! (процес керування рухом);
- шформацшно! (процес обробки даних про стан середовища руху).
Вiдповiдно слiд розглядати транспорты системи та технологи, як мехат-
роннi системи та об'екти. Цей напрямок дослщжень вивчае нове наукове спря-мування - мехатрошка [3], яка знайшла широке використання на автомобильному транспортi [4]. Не кожна транспортна машина або система на достатньому рiвнi вщповщае визначенню мехатронно! системи. По-перше, така система повинна мати властивють автономность По-друге, мехатронна система вiдрiзня-еться розумною (англ. smart) поведшкою. Властивiсть мехатронно! системи, транспортно! машини або автомобiля бути «розумним» можна досягти або отримати завдяки застосуванню сучасних технологш штучного iнтелекту на основi нейронних мереж [1, 5].
Конкурентоспроможний транспортний заЫб сьогоднi можна розробити лише за схемою пбридного електромобшя з синергетичною силовою установкою, що включае двигун внутршнього згоряння, електричний двигун i буфер-ний накопичувач енерги [4, 6]. Дослщження фахiвцiв [4, 7] тдтверджують тех-нiко-економiчну доцiльнiсть створення такого синергетичного електромобшя, який бшьш шж у два разi бiльш економiчний нiж базовий автомобiль з тради-цiйним двигуном внутрiшнього згоряння. Проте, перспективний синергетичний принцип дос не розвинуто для дизель-генераторних електромехашчних систем широкого спектру потужностей.
Характерною особливютю дослiджень провiдних наукових шкш у останнi десятирiччя е неодмшний розвиток проблем керування паралельно з традицш-ними дослiдженнями засобiв перетворення, що складае достатню умову для ви-конання синергетичних оптимiзацiйних заходiв [8, 9]. В роботах [4, 10, 11] за-пропонована концепщя системного дослiдження енергетичних показниюв
об'екту керування, як необхщна умова виршення оптимiзацiйних задач, яка грунтуеться на таких положеннях:
- автономш транспорты системи електроживлення з перетворювачами по-стiйно! напруги е замкненими структурами. Вони мають аналiзуватися у всш сукупностi взаемовпливу та взаемозв'язкiв уЫх структурних компонентiв. Тоб-то дослщженню пiдлягае базова структура: «акумуляторна батарея - iмпульс-ний перетворювач - тяговий електродвигун»;
- дослiдження та аналiз систем тягового електрообладнання мае бути охоплений единим математичним описом, що мютить функцюнальний зв'язок режимних характеристик, параметрiв управлiння та енергетичних по-казникiв цих систем;
- з енергетичних показниюв (ККД, спожита потужшсть, втрати потужнос-тi, тощо), залежнiсть яких вiд параметрiв управлшня вивчатиметься, перевагу слiд вiддати саме ККД. Адже найбшьш загальному показнику енергетично! ефективностi як окремих компонеилв, так i системи привода в цшому.
Основними напрямками синергетичного шдвищення ефективност функцю-нування автономних електротранспортних засобiв, покращення !х експлуатацш-них характеристик е рацюнальна органiзацiя процеЫв перетворення енергi! пер-винного джерела та забезпечення ефективного загального енергообмшу у транспортних системах енергоживлення. За тако! постановки задачi !! вирiшення базу-еться на всебiчному дослiдженнi залежностей енергетичних показникiв транспортних систем енергоживлення вщ параметрiв управлiння та навантаження з обов'язковим врахуванням обмежень, що накладають первинш джерела.
Вiдомi дослiдження, iснуючi методи та засоби шдвищення ефективност зде-бiльшого стосуються окремих компонентiв таких систем i не завжди забезпечують синергетичне пiдвищення ефективностi систем в цшому, що стримуе розвиток автономного електротранспорту [4]. З цього випливае необхщшсть подальшого роз-витку наукових дослiджень енергетичних показниюв систем енергоживлення на основi синергетичного системного аналiзу транспортних електроприводiв, розвит-ку синергетично! методологi! рацiонально! побудови !х структури, синергетичних методов та засобiв керування елементами таких систем. Це забезпечить зменшення питомих енерговитрат, збшьшення ККД, покращення експлуатацiйних, надшшс-них та ергономiчних показникiв автономного електротранспорту [1, 4].
Великий внесок у виршення проблеми шдвищення ефективнос^ систем електричного живлення автономного електротранспорту зроблено науковцями лаборатори електромобiлiв 1нституту електродинамжи (м. Ки!в, Укра!на). Тут була розроблена методолопя, що дозволяе виконати дослщження енергетично! ефективностi систем енергоживлення таких транспортних засобiв з точки зору ККД як поелементно, так i на системному рiвнi. За допомогою ше! методологi! було проаналiзовано низку схем як тягового, так i допомiжного електрообладнання електромобшв [12]. Зокрема, авторами [12] за допомогою ше! методоло-гi! було проведено аналiз енергетичних показникiв систем електричного живлення автономного електротранспорту комбшованого широтно^мпульсного регулятора та силового перетворювача для джерел живлення низьковольтних бортових споживачiв. Отримаш залежностi ККД окремих елементiв та систем
електричного живлення автономного електротранспорту в цшому вщ парамет-рiв керування та навантаження. Також визначеш рекомендаци щодо оптимального, з точки зору загального ККД систем електричного живлення автономного електротранспорту, управлшня такими системами.
Основними напрямками шдвищення ефективностi функщону номних електротранспортних засобiв, покращення !х експлуатацшш„_ ристик е рацiональна органiзацiя процесiв перетворення енерги первинного джерела та забезпечення ефективного загального енергообмшу у транспортних системах енергоживлення. За тако! постановки задачi ll виршення базуеться на всебiчному дослiдженнi залежностей енергетичних показникiв транспортних систем енергоживлення вщ параметрiв управлiння та навантаження з обов'язковим врахуванням обмежень, що накладають первинш джерела.
Основним питанням шд час побудови енергоефективних структур дизель-генераторних систем е оптимiзацiя використання потужностi, що споживаеться системою вщ дизеля. Це призведе до зменшення рiвня втрат та забезпечення споживання потужност всiею електромеханiчною системою на найменшому рiвнi. Проблема зменшення рiвня втрат, тобто пiдвищення ККД в таких системах привертае увагу багатьох дослщниюв [1-7]. Пропонуються рiзнi способи ll розв'язку, патентуються досить численш винаходи, якi дозволяють у рядi випа-дкiв зменшити рiвень втрат потужностi. Однак та обставина, що жоден iз цих способiв не ввiйшов широко в практику дизель-генераторних систем, свщчить про те, що багато спроб полшшення рiвня енергоефективностi мають невисо-кий ефект. Як правило, виграш у ККД здобуваеться щною значного ускладнен-ня конструкци електромехашчно! системи, введення додаткових ланок. Зали-шаються невщомими також границi застосовностi даних способiв. Практична реалiзацiя багатьох способiв упираеться в неможливють передбачити деякi по-бiчнi явища, що виявляють виршальне значення на використання способу.
На сьогодш фактично вiдсутня система класифшаци дизель-генераторних електромеханiчних систем за потужшстю. Вона е потрiбною для дослщження показникiв роботи машин за статичними характеристиками. Для переважно! бiльшостi транспортних машин та рухомого складу залiзниць виникае питання необхщност ll створення. За основу приймемо тягову класифжащю, яка вико-ристовуеться в тракторнш галузi.
Вiдповiдно до колишнiх ГОСТ 27021-86 чи СТ СЭВ 628-85 типорозмiрний ряд сшьськогосподарських тракторiв включав 10 тягових клаЫв. Вiн представляв собою зростаючу послщовшсть безрозмiрних чисел (0,2_8), кожне iз яких виражало значення номiнального тягового зусилля трактора (Ркрн) в тонах [13].
У мiжнароднiй практицi у вщповщнос^ до стандартiв ISO 730/1 i ISO 730/3-82 використовуеться класифiкацiя тракторiв за максимальною тяго-вою потужшстю NKp.max. Вона отримуеться при випробуванш енергетичного за-собу на гладкш гоpизонтальнiй i сухiй бетонованiй поверхш, або повеpхнi, пок-рито! скошеною/нескошеною травою [13]. Трактори при цьому подшяються на чотири категорй, кожна з яких вiдповiдним чином сшввщноситься з класифiка-цiею енергетичних засобiв згiдно з мiжнаpодним стандартом ГОСТ 27021-86 (СТ СЭВ 628-85) [13].
Практика показуе, що класифжащя зпдно з ГОСТ 27021-86 (СТ СЭВ 62885) дае бшьш точну уяву про експлуатацшш властивостi трактора [13]. А це, у свою чергу, дозволяе правильно пщбрати до нього комплекс сшьськогосподар-ських машин i знарядь. Проте, для узагальнення та класифжаци основних захо-дiв шдвищення енергетичного потенщалу для елементiв декомпозовано! структури така класифiкацiя дизель-генераторних транспортних засобiв е занадто детальною, оскшьки в бiльшостi з даних клаЫв пiдходи будуть однаковими. Дана детальна класифжащя е корисною для правильного шдбору до вщповщ-ного трактора комплексу сшьськогосподарських машин i знарядь та проведення вщповщних проектних та тягових розрахунюв. Також вона знадобиться при ви-значення вщповщно! експлуатацiйноï ваги трактора, номiнального тягового зу-силля та допуску на його коливання, норми буксування енергетичного засобу при визначенш його номшального тягового зусилля.
5. Методи дослвджень
Для досягнення задачi керування складною електромехашчною системою важливий потенцiал не кожного окремого елемента електроприводу, а потенщал ïx сукупностi при взаемоди. При вдалому поеднаннi взаемодiï та режимiв роботи кожного елемента та всiеï структури взагалi загальний потенщал енергозбере-ження цiлого бiльший суми потенцiалiв енергозбереження окремих елементiв електроприводу. В результат отримуемо ефект синерги. Синергiя, вiд грецького synergos, означае узгоджений, взаемодшчий. Закон синергiï стверджуе, що сума властивостей оргашзованого цшого бiльше арифметичноï суми властивостей його елеменпв. Одержуваний сумарний ефект носить назву синергетичного. За-вдання алгоритму керування - оптимiзувати взаемодш ресурсiв для отримання позитивного ефекту синерги, ефекту зменшення рiвня втрат в системi.
Основними резервами синергетичного шдвищення енергоефективност ди-зель-генераторних електромехашчних систем е методи пiдвищення ККД елеме-нтiв електромеxанiчноï структури, режими керування транспортним засобом та алгоритми керування елементами структури.
Визначимо, що базуючись на пiдxодi синергетичного шдвищення енергоефе-ктивностi дизель-генераторно!" електромехашчно1" системи транспортного засобу первинним заходом шдвищення енергоефективносп е розробка концепцн вибору структури системи з використанням синергетичного шдходу. Основним засобом шдвищення енергоефективносп дизель-генераторно1' електромеxанiчноï системи е застосування електричного гальмування з використанням рекуперативного нако-пичення або перерозподiлу енергй'. Основш резерви пiдвищення енергоефектив-ностi становлять вщповщш комплекснi алгоритми керування, засноваш на синер-гетичному принципi. При цьому шдвищення точносп та адекватносп систем керування дизель-генераторними електромехашчними системами дозволяе забезпе-чити виконання завдання створення параметрiв еталонного руху, що задовольня-ють оптимальному за тим чи шшим критерiем руху. Особливу увагу потрiбно придiлити також засобам реалiзацiï розроблених алгоритмiв керування, що дозволить максимально точно вщпрацьовувати створеш алгоритми керування.
Методики, застосовуваш для оптимiзаци енергосистем, досить складш, бь льшiсть iз них базуеться на умовi рiвностi вщносних приростiв витрати палива, що е тшьки необхiдною умовою iснування екстремуму. Для врахування обме-жень застосовуеться метод штрафних функцiй, що допускае можливють розра-хункiв тiльки з використанням ЕОМ. Методи динамiчного програмування, п-лок i границь також достатньо складш й вимагають використання ЕОМ. Най-бiльш вiдомим методом для оптимiзаци паралельно працюючих дизельних установок е метод [1, 4]. Метод легко застосовуеться для двигушв з щентични-ми навантажувальними характеристиками й досить складний для агрегата з рiзними характеристиками. Крiм цього при розробщ критерiю оптимальностi за даним методом не накладаються обмеження на потужност агрегатiв. Метод не дае математичного обгрунтування вибору складу працюючих агрегата [1, 4].
6. Результати дослщження
Максимальний ефект з шдвищення енергетичного потенцiалу можливо до-сягти розглядаючи групи пiдсистем вказано! електромехашчно1 системи транспортного засобу. В цих групах вщбуваеться перетворення одних видiв енергп в iншi та вiдповiднi регулювання фiзичних характеристик цих видiв енерги. Для цього виконаемо декомпозищю структурно: схеми електромехашчно1 системи, представлену на рис. 1, на ввдповщш групи:
1 група: тяговий двигун - редуктор - колюна пара;
2 група: перетворювач - тяговий двигун;
3 група: генератор - перетворювач;
4 група: генератор - перетворювач - тяговий двигун;
5 група: дизель - генератор;
6 група: загальна система керування вЫма ланками та системою в цшому.
Для аналiзу та узагальнення засобiв шдвищення енергетичного потенщалу
за статичними характеристиками, виконаемо класифжащю дизель-генера-торних електромехашчних систем в залежност вiд потужностi (табл. 1).
Таблиця 1
Класифiкацiя дизель-генераторних електромехашчних систем по тяговим ___категорiям__
Категор1я по-тужност1 Тягова по-тужтсть, кВт Частина споживання загально1 потужност1 на забезпечення влас-них потреб Види дизель-генераторних транспортних засоб1в, що належать до дано1 категори потужност1
1 "V 2 3 4
V до 70 4-30 % (живлення в основному ввд допом1жних генератор1в) - мш-трактори; - навантажувачц - легк самохвдт шасц - трактори до класу 2; - легка буд1вельна техтка; - легка дорожня техтка; - допом1жт машини та самохвдт установки зал1зниць
1 2 3 4
- трактори клашв 3-8;
- будовельна та дорожня тех-
тка;
- рейков1 автобуси;
6-25 % - допом1жт машини та са-
(живлення ввд допо- мохвдт установки зал1зниць;
II 70-300 м1жних генератор1в - автомотриси;
або шини постшного - будовельна та дорожня тех-
струму) тка;
- допом1жт кар'ерш транс-
порты засоби;
- локомобш;
- мшький транспорт
III бшьше 300 8-20 % (живлення в основному ввд шини постш-ного струму) ÛV - трактори клашв бшьше 8; - комбайни; - локомобш; - важка буд1вельна та дорожня техтка; - кар'ерт самоскиди; - примшький рухомий склад; - маневровий рухомий склад
Запропонована класифжащя ох
генераторних електромеxанiчниx сист_____
тi чи iншi ушфшоваш пiдxоди.
всi основнi категорп дизель-по тяговим класам, для яких властивi
оИ системи та наведена класифшащя ля систем змiнного струму, так i для си-
Прийнята структура електро за тяговими категорiями е типово стем постiйного струму.
Виконаемо узагальнення основних структур елеменпв декомпозовано1 системи вiдповiдно до запропоновано! класифiкацiï, взаемозв'язок мiж якими дозволяе максимально використати синергетичш властивост електромехашчноИ системи.
Варiанти структур групи «тяговий двигун - редуктор» наведено в табл. 2.
Таблиця 2
Варiанти структур групи «тяговий двигун - редуктор»
Структура елеменпв групи Категор1я потужност
I II III
Редуктор з1 змшною кшьшстю ступе-тв - Тяговий двигун
Безредукторна система (мотор-колесо) Не характерна для данного класу
Тяговий двигун спещальноИ констру-кцп - Редуктор Не характерна для данного класу
Bapianra структур групи «перетворювач - тяговий двигун» наведено в табл.3.
Таблиця 3
Bapiaнти структур групи «перетворювач - тяговий двигун»_
Структура елеменпв групи Кaтегоpiя потужност
I II III
Перетворювач частоти - Тяговий двигун спещально1 конструкцп
Бaгaтоpiвневий перетворювач частоти - Тяговий двигун змшного струму Не характерна для данного класу
4д-перетворювач - Тяговий двигун Не характерна для данного класу
Використання накопичувача енергп
Bapiaнти структур групи «генератор - перетворювач» наведено в табл. 4.
Таблиця 4
Структура елеменпв групи Кaтегоpiя потужност
I II III
Генератор - Перетворювач - Загальна шина постшного струму
Генератор - Безпосереднш перетво-рювач частоти Не характерна для данного класу
Генератор - Накопичувальна система -Перетворювач
Bapiaнти структур групи «генератор - перетворювач - тяговий двигун» наведено в табл. 5.
ктур гру ктур гру
Таблиця 5
Bapiaнти структур групи «генератор - перетворювач - тяговий двигун»
Структура елеменпв групи Кaтегоpiя потужност
I II III
Система Генератор - Тяговий двигун (без тягового перетворювача з жив-ленням власних потреб ввд допомiж-ного генератора) Не характерна для данного класу Не характерна для данного класу
Генератор - Перетворювач - Загальна шина постшного струму
Генератор - Перетворювач - Загальна шина постшного струму з накопи-чувальною системою
Варiанти структур групи «дизель - генератор» наведено в табл. 6.
Та*
Варiанти структур групи «дизель - генератор»
Структура елеменпв групи Категор1я потужност!
I II III
Дизель - Швидкохвдний синхронний генератор Не характерна для данного класу
Дизель - Генератор з сумщеними обмотками Не характерна для данного класу
Дизель з наддувом або форсуванням -Генератор Не характерна для данного класу
Дизель-компресор - Генератор з мо-жливштю роботи в режим1 двигуна
Приведена класифжащя структур показуе едшсть мiж шдходами щодо ди-зель-генераторних електромеханiчних систем змiнного та постшного струмiв, що дозволяе ушфжувати пропонованi заходи та розповсюджувати !х на бiльш широкий клас транспортних засобiв. З огляду на перспектившсть побудови електромеханiчних систем на основi змiнного струму, надалi будемо розглядати взаемний зв'язок мiж вказаними групами на основi електроприводу з асинхрон-ним двигуном.
Припустiмо, що Р являе собою множину вЫх можливих засобiв з шдви-щення енергетично! ефективностi електромеханiчно! системи. При цьому мно-жина Р мае таку властивють, що певнi !! складовi пiдмножини можна викорис-товувати одночасно, а iншi пiдмножини лише поодинщ, що пояснюеться несу-мiснiстю одночасного виконання певних оргашзацшно-техшчних заходiв. Тому роздшимо множину Р на визначеш пiдмножини:
- пiдмножина Р1 включае в себе засоби, якi буде впроваджено в пiдсистемi «тяговий двигун - редуктор - колюна пара» (табл. 2);
- шдмножина Р2 включае в себе засоби, яю буде впроваджено в пiдсистемi «перетворювач - тяговий двигун» (табл. 3);
- тдмножина Р3 включае в себе засоби, яю буде впроваджено в пiдсистемi «синхронний генератор-перетворювач» (табл. 4);
- тдмножина Р4 включае в себе засоби, яю буде впроваджено в пiдсистемi «синхронний генератор - перетворювач - тяговий двигун» (табл. 5);
- шдмножина Р5 включае в себе засоби, яю буде впроваджено в пiдсистемi «дизель - синхронний генератор» (табл. 6);
- тдмножина Р6 включае в себе засоби, яю буде впроваджено в пiдсистемi «загальна система керування вЫма ланками та системою в цшому».
А #
енергетич
Кожному засобу поставимо у вщповщшсть ефект вiд його впровадження, який в загальному випадку виражаеться у скороченш питомо! витрати дизеля. Нехай:
- тдмножина Р1 включае в себе 21 засобiв (табл. 2);
- тдмножина Р2 включае в себе 22 засобiв (табл. 3);
- тдмножина Р3 включае в себе 23 засобiв (табл. 4);
- тдмножина Р4 включае в себе 24 засобiв (табл. 5);
- тдмножина Р5 включае в себе 25 засобiв (табл. 6);
- тдмножина Р6 включае в себе 26 засобiв.
Введемо позначення: п - номер засобу з тдвищення енергетично! ефек-
тивностi. Тодi розглянемо масиви ¥(п) та Е(п), якi мютять вартiсть i вихiднi ефекти вщ впровадження вiдповiдних заходiв визначених тдмножин. Нехай при цьому вектор М(п) мютить елементи, якi дорiвнюють 0 в раз^ коли вiдповiдний захщ з пiдвищення енергетичного потенцiалу вщхилено або 1 в противному випадку.
Рiшення задачi вибору засобiв з пiдвищення енергетичного потенщалу ди-зель-генераторно! електромехашчно! системи необхщно виконувати послщов-но, по-перше сформувавши множину всiх можливих засобiв з пiдвищення енер-гетично! ефективност електромехатчно! системи. По-друге необхiдно провести вибiр комбiнацiй варiантiв тдмножин засобiв. По-трете потрiбно встановити вщповщну цiльову функцiю, а також визначити обмеження та межовi умови.
Сформулюемо математичну модель для вказано! задачi пошуку засобiв т-двищення енергетичного потенщалу системи за статичним характеристиками запишемо в наступному виглядг
Р= Р1 п Р2 п Р3 п Р4 п
>(п) + Екз(п)-хъ{п) +
5=1
4
Ф(х) = Е^(п)'
5=1
+Е *4(п) ■ х(п)+Е *5(п) ■ х(п)+Е (п) ■ х(п) ^ ш1п;
5=1 5=1 5=1
4 4 4
Е Е(5) ■ х(п)+ Е Е(п) ■ х2(п)+Е Е(п) ■ хз(п)+
5=1 5=1 5=1
4 45 46
(п)+Е Е(п) ■ х5(п)+Е Е(п) ■ хб(п) ^ е.
5=1
5=1
Масиви Е(п) в якост показникiв ефективност мiстять наступнi парамет-ри: питомий вартiсний показник, поточне значення питомо! витрати палива, мiнiмальну питому витрату палива, номшальний ККД системи, тривал^ть ввiмкнення.
У якостi питомого вартюного показника пропонуеться залежнiсть вартостi електромехатчно! системи вiд потужностi.
Сукупшсть уЫх технiчних i схемних модифшацш кожно! групи декомпо-зовано! структури, i являе собою необхiдний перелш заходiв, якi необхiдно здiйснити для максимально! економп палива. Даний перелж буде залежати вiд результатiв розв'язку оптимiзацiйного завдання та технологiчних особливос-тей процесiв системи. Застосування при формуванш зазначених заходiв про-цесу визначення структури та параметрiв системи, що опираеться на комплек-сний розв'язок усiх основних завдань розробки системи заходiв з пiдвищення енергетичного потенщалу, дозволяе одержати коректне трансформування останньо!. Тобто при потенцiйнiй реалiзацi! пропонованих змiн у системi е !х-нiй взаемовплив.
Повна одночасна замша всього складу устаткування системи i компону-вання нових схем може бути економiчно недоцiльною, незважаючи на макси-мальний ефект вщ зниження втрат палива. Це зумовлено юнуючою полiтикою цiн на енергоресурси i устаткування. Таким чином, виникае завдання виявлення початкового заходу або частини тих заходiв, яю максимально б наблизили систему до максимального енергетичного потенщалу, але при цьому були б припу-стимi з економiчних мiркувань.
Iснуючi системи транспортних засобiв аналогiчнi по сво!й структурi та параметрам, тому що створюються на принципах тишзаци та утфшаци проект-них розв'язюв. Проте, режимнi ж параметри !х можуть вiдрiзнятися, що обумо-влено технолопчними особливостями об'екта. Отже, будуть i рiзнi орiентири в процес пiдвищення енергетичного потенцiалу.
Слiд розумпи, що для одержання гранично! величини тдвищення енергетичного потенцiалу в системi згiдно з результатами розробки потрiбна деяка су-купнiсть впливiв на не!. Також на граничне значення резерву в системах впливае юльюсть електромехашчних систем на одному транспортному засоб^ що обумо-влюе перерозподш навантажень мiж ними, тобто змшу загально! схеми.
Зазначенi впливи на електромехашчну систему або яю-небудь iншi змiни в нiй будуть супроводжуватися шшими додатковими витратами. Причому щ ви-трати не завжди приведуть до !хнього обов'язкового збшьшення в рамках групи елементiв електромехашчно! системи одного функцiонального призначення.
Для подальшого розв'язку поставленого завдання необхщно визначити список базових варiантiв техшчно можливих модифiкацiй електромехашчно! системи як основу для аналiзу доцiльностi реалiзацi! визначених заходiв. При цьому черговють дiй по змiнi iснуючих параметрiв електромеханiчно! системи на визначенi в ходi рiшення поставлено! задачi на даному еташ не мае значення. Однак, кожна така операщя повинна супроводжуватися перерахунком показни-кiв функцюнування системи, тому що ймовiрна змша характеристик споживан-ня сумiжних груп електромехашчно! системи. Це, у свою чергу, вимагае пере-вiрити !! на допустимiсть експлуатацi! по визначених з точки зору перевiзного процесу техшчних умовах, а також визначити додатковi витрати на вказанi заходи. Це зумовлено тим, що при формуванш такого перелжу задiеться лише частина можливих варiацiй системи щодо найбшьш рацiонально! з точки зору енергетичного потенщалу, яка мютить у собi тiльки певну частину !! парамет-рiв. Тут визначеш частковi заходи забезпечують реалiзацiю системи пiдходiв з
шдвищення енергетичного потенщалу в цiлому до наступних дш, що сприяють зниження втрат у електромехашчнш системi.
Формування початкового перелжу технiчно можливих комбшацш засобiв щодо змiни електромехашчно! системи грунтуеться на зiставленнi !х параметрiв з iснуючими. Спочатку мае сенс видшити незалежнi групи, змiна яких не пов'я-зана з шшими. Потiм розглядаються групи залежних засобiв, тому що самос-тiйна реалiзацiя кожного з них неможлива без шших.
Послiдовнiсть реалiзацil кожного заходу повинна бути встановлена тшьки для тих з них, як економiчно доцiльнi. Останне забезпечуеться виконанням умови: собiвартiсть зекономленого палива не повинна перевищувати катталов-кладень на реалiзацiю заходу.
Очевидно, що для одержання якомога бшьшого ефекту, послiдовнiсть реа-лiзацil вже економiчно припустимих заходiв пiдвищення енергетичного потен-цiалу може бути визначена ранжируванням !х по такому показниковi як обсяг економй.
Таким чином, методика оргашзаци програми пiдвищення енергетичного потенцiалу буде складатися з наступних еташв:
1. Формуеться перелж усiх можливих технiчних заходiв, впровадження яких е припустимим за умовами експлуатацй транспортного засобу.
2. На пiдставi отриманого перелiку визначаються економiчно припустимi заходи, виходячи з умови, що економiчний ефект не повинен перевищувати ка-пiталовкладень на реалiзацiю засобiв.
3. Уточнений перелш припустимих заходiв сортуеться по зменшенню об-сягу зекономленого умовного палива, що й визначае послщовшсть !х реалiзацil при модернiзацil.
Для оцiнки ефективностi таких проектiв рекомендуеться перелж наведених нижче показникiв [4, 15].
Економiчний ефект:
де АС - незмшний по роках розрахункового перюду прибуток вiд результую-чих заходiв пiдвищення енергетичного потенцiалу;
)вацil на амортизащю;
Ен=0,1 - норматив ефективносл капiталовкладень.
Рам - норма ренова ЕН=0,1 - норматив
Норма реновацil на амортизацiю розраховуеться наступним чином:
Р = ^н
(1 + ЕнУ" -1'
де Тсл - строк служби електротехшчного комплексу транспортного засобу, який штивами складае 15 рокiв.
Тодi для строку служи в 15 роюв матимемо наступне:
Ас
Af =-^ •
£ 0,1315
Таким чином, вибiр eKOHOMi4HO доцшьно! системи заходiв з пщвищення енергетичного потенцiалу залежить вiд поставлених цшей i схем фiнансування процесу енергозбереження.
7. SWOT-аналiз результатiв дослщження
Strengths. Сильною стороною дослiдження е використання синергетичних властивостей системи у поеднанш з забезпеченням енергоефективного режиму роботи та керування кожним з елемеш!в декомпозовано! структури електроме-хашчно! системи. У порiвняннi з вщомими методами це призводить до:
- досягнення найбшьш рацiонального питомого рiвня споживання палива;
- максимiзацil ККД електромехашчно! системи.
Weaknesses. Слабкою стороною дослщження е ускладнення техшчно! конструкцп системи керування електроприводом, що пояснюеться:
- ускладненням технiчних алгоритмiв;
- збшьшенням кiлькостi здавачiв.
Opportunities. Перспективою подальшого дослiдження е розробка бшьш досконалих алгоритмiв керування електротехнiчними комплексами.
Threats. В свт iснують аналоги об'екту дослщження, як використовують-ся в електромобшях. Проте вони е непридатними для використання в дизель-генераторних системах, що пояснюеться специфшою даного джерела живлення, яку показано в даному дослщженш.
8. Висновки
1. Проведено аналiз практичного досвiду декомпозицi! систем тягових еле-ктроприводiв, що дозволило систематизувати сучаснi пщходи до даного питан-ня та визначити:
- найбшьш проблемш мюця (вiдсутнiсть логiчно! системи обрання груп для проведення декомпозицi! та математичного опису алгоритму даного процесу);
- типовi пiдходи (розд^лення електромеханiчних систем за тяговими класами).
2. Виконано узагальнення методики декомпозицi! структури та параметрiв тягових електроприводiв при заданих вимогах з боку рухомого електротехшч-ного комплексу. Це дозволило забезпечити досягнення найбшьш ращонального питомого рiвня споживання палива та максимiзацi! ККД електромехашчно! си-стеми за рахунок обрання режиму роботи кожного елемента таким чином, щоб загальний ККД системи був на максимальному рiвнi.
Лггература
1. Klepikov, V. B. Vvedenie v mehatroniku [Text] / ed. by V. B. Kle-pikov. - Kharkiv: NTU «KhPI», 2014. - 274 p.
2. Haken, H. Synergetik [Text] / H. Haken. - Springer Berlin Heidelberg, 1990. - 396 p. doi:10.1007/978-3-662-10186-5
3. Florentsev, S. N. Traction Electric Equipment Set for AC Electric Transmission Various Vehicles [Text] / S. N. Florentsev // Proceedings of International Exhibition & Conference «Power Electronics, Intelligent Motion. Power Quality (PCIM-2009)». - Nurenberg, Germany, 2009. - P. 625-627.
4. Bazhinov, O. V. Sinergetichnii avtomobil'. Teoriia i praktika [Text]: Monograph / O. V. Bazhinov, O. P. Smirnov, S. A. Serikov, V. Ya. Dvadnenko. -Kharkiv: KhNADU, 2011. - 235 p.
5. Jordan, H. E. Energy-Efficient Electric Motors and their Applications [Text] / H. E. Jordan. - Springer US, 2004. - 188 p. doi:10.1007/978-1-4899-1465-1
6. Kulagin, D. O. The mathematical model of asynchronous traction motor taking into account the saturation of magnetic circuits [Text] / D. O. Kulagin // Scientific bulletin of National Mining University. - 2014. - № 6. - P. 103-110.
7. Kulagin, D. O. Mathematical model of asynchronous traction motor taking into account the saturation [Text] / D. O. Kulagin // Tekhnichna Elektrodynamika. - 2014. - № 6. - P. 49-55.
8. Boldea, I. The Induction Machine Handbook [Text] / I. Boldea, S. A. Nasar. - CRC Press, 2010. - 968 p.
9. El-Sharkawi, M. A. Fundamental of electric drivers [Text] / M. A. El-Sharkawi. - Brooks: Cole production, 2000. - 400 p.
10. Stone, G. C. Electrical insulation for rotating machines [Text] / G. C. Stone, E. A. Boulter, I. Culbert, H. Dhirani. - John Wiley & Sons, Inc., 2003. -392 p. doi:10.1002/047168290x
11. Sinchuk, O. N. O tselesoobraznosti rekuperativnogo tormozheniia bol'shegruznyh kar'ernyh avtosamosvalov s elektromehanicheskoi transmissiei [Text] / O. N. Sinchuk, A. I. Shevchenko // Vestnik Natsionional'nogo tehnicheskogo uni-versiteta «Kharkovskii politehnicheskii institut». - 2003. - Vol. 10. - P. 415-419.
12. Shydlovskyi, A. K. Doslidzhennia efektyvnosti rekuperatyvnoho halmuvannia elektromobilia [Text] / A. K. Shydlovskyi, V. M. Skidanov, V. B. Pavlov, O. M. Yurchenko // Tekhnichna Elektrodynamika. - 1998. - № 1. -P. 22-30.
13. Bulhakov, V. M. Obhruntuvannia typazhu silskohospodarskykh traktoriv v Ukraini [Text] / V. M. Bulhakov, A. S. Zaryshniak, V. M. Kiurchev, V. T. Na-dykto // Visnyk ahrarnoi nauky. - 2010. - № 11. - P. 5-8.
14. Kosov, V. V. Metodicheskie rekomendatsii po otsenke effektivnosti investitsionnyh proektov [Text] / V. V. Kosov, V. N. Lifshits, A. G. Shahnazarov. -Moscow: Ekonomika, 2000. - 421 p.
15. Kulagin, D. O. Proektuvannia system keruvannia tiahovymy elektro-peredachamy motorvahonnykh poizdiv [Text]: Monograph / D. O. Kulagin. -Berdiansk: FOP Tkachuk O. V., 2014. - 154 p.
