Методика расчета системы электростартерного пуска с аккумуляторной батареей и емкостным накопителем энергии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Методика расчета системы электростартерного пуска с аккумуляторной батареей и емкостным накопителем энергии

к.т.н. доц. Малеев P.A., Шматков Ю.М.

Университет машиностроения 495-223-05-23, доб. 1574

Аннотация. В статье представлена разработанная на кафедре «Автотракторное электрооборудование» Университета машиностроения методика расчета систем электростартерного пуска с комбинированным источником тока. Представлены исходные данные и основные формулы и выражения для расчета таких систем и определения основных энергетических параметров.

Ключевые слова: система электростартерного пуска, комбинированный источник тока, стартерный электродвигатель

В результате проведения научно-исследовательских работ на кафедре «Автотракторное электрооборудование» по исследованию процесса пуска двигателя внутреннего сгорания и питания электростартера от совместно работающих емкостного накопителя энергии (НЭ) и аккумуляторной батареи (АБ) были выведены формулы для расчета значений напряжений и токов накопителя энергии и аккумуляторной батареи, ЭДС и частоты вращения якоря стар-терного электродвигателя, а также полезной мощности на валу стартерного электродвигате-

Анализ полученных формул показывает, что при подключении накопителя энергии параллельно аккумуляторной батарее при постоянстве полезного момента возрастают средние частоты вращения якоря стартерного электродвигателя и его полезная мощность. В результате этого повышается надежность пуска ДВС в условиях низких температур.

Разработаны выражения, позволяющие определить основные энергетические параметры системы электростартерного пуска (СЭП) при параллельной работе АБ и НЭ и формула для расчета емкости накопителя, которая определяется из требуемой механической энергии, необходимой для вращения вала ДВС с заданной пусковой частотой вращения.

Приведенная методика расчета позволяет с достаточной точностью рассчитывать параметры СЭП с комбинированным источником тока (КИТ).

Исходные данные для расчета СЭП с КИТ. Двигатель внутреннего сгорания - ДВС.

1. Марка, код.

2. Моторное масло (сорт, марка).

3. Расчетная температура пуска ДВС - Т° С.

4. Вязкость масла при Т - v, мм г/с.

5. Число зубьев маховика ZM или передаточное число привода стартера - и.

6. Экспериментальные зависимости Мс = fi{пср) в табличной форме. Характеристики Мс = fi{пср) могут быть расчетными (по эмпирическим формулам РТМ).

7. Пусковые характеристики ДВС t п = fi{пср) в табличной форме.

8. КПД передачи от СЭ к ДВС - ijnep.

9. Частоты вращения вала ДВС, для которых строятся зависимости параметров СЭП от t - пср1 , пср2 (например, nmin по времени пуска t п = 10; 15 с; nmin по ОСТ 37.001.052-87.

10. Число цилиндров двигателя Z ц.

11. Число тактов двигателя т ¿в (тактность). Аккумуляторная батарея - АБ.

1. Тип, марка, код (если АБ задана).

2. Номинальное напряжение - UH, В.

3. Удельная энергия АБ по объему - wa6v , Дж/см3 .

4. Удельная энергия АБ по массе - wa6m , Дж/кг.

5. Отношение массы АБ к ее номинальной емкости Кабт = таб /С2о, кг/А-ч.

6. Номинальная емкость АБ (если АБ задана) - /С2о, АХч.

7. Масса АБ (если АБ задана) - шаб, кг.

8. Объем АБ (если АБ задана) - Уаб, см3 .

9. Начальное разрядное напряжение и нр (может быть задано по РТМ или рассчитано по формулам Ю.И.Боровских).

10. Сила тока короткого замыкания - I кз(может быть задано или рассчитано по формулам Ю.И.Боровских).

11. Сила тока короткого замыкания на одну положительную пластину - 1+ = I кз/п+ , А-ч.

12. Номинальная емкость АБ, отнесенная к одной положительной пластине - С 20+ = С 20 /п+ , АХч.

13. Односторонняя площадь электрода АБ - 5Э, м2

14. Толщина положительного электрода - 5, м.

15. Расчетная степень разряженности АБ - А С ср , %.

16. Коэффициент, учитывающий падение тока 1+ с каждой попытки пуска - Кп.

17. Коэффициенты С п, Ьп , сп в формуле для расчета тока 1+ .

18. Расчетное число попыток пуска в формуле для расчета тока 1+ — Ъ п. Емкостной накопитель энергии (конденсатор) - НЭ.

1. Номинальное напряжение НЭ - инэ^3, В.

2. Допустимое по ТУ на НЭ напряжение заряда - инэдз, В.

3. Удельная энергия НЭ по объему шнэу , Дж/см3 .

4. Удельная энергия НЭ по массе шнэт , Дж/кг.

5. Постоянная времени НЭ - тнэ = Снэ X Янэ при заданной Т, С (должна быть зависимость тнэ (или Янэ) от Т, °С ).

6. Емкость накопителя энергии - Снэ, Ф (если задан НЭ).

7. Сопротивление накопителя энергии - Янэ, Ом (если задан НЭ).

8. Напряжения начала разряда, для которых строятся зависимости параметров СЭП от времени г и частоты вращения п ср - инэонт1п < инэон1 < инр; инэон2 = инр;

инэонЗ — инэонтах • Стартерная цепь.

1. Сопротивление стартерной сети - Япр, Ом (принимается Кпр=0,002 Ом или задается другое значение заказчиком).

2. Масса провода шпр = Упр ■ 1пр ■ упр или задается конкретное значение.

3. Падение напряжения на диодах в цепи между АБ и НЭ - пид, В. Электростартер.

1. Тип, код.

2. Номинальное наряжение ин, В (должно быть равно номинальному напряжению АБ).

3. Рабочие характеристики электростартера - исто, Р2о, М2, пао = Ща) в табличной форме.

4. Сопротивление стартера - Яст, Ом.

5. Число зубьев шестерни привода - 1 ш.

6. Масса стартера - шст, кг.

Последовательность расчета СЭП с КИТ

Задаемся частотами вращения п с интервалом 10 мин~г (можно 5 или 20 мин~г) - Апср; пср = пср + А пср от пср= 30 до пср = 150 мин~г для бензиновых двигателей и от 50 до 250 мин~г для дизелей. Если на графикахМс = {(п ср) и = {(п ср) не хватает данных (ограничены п ср), то нужна аппроксимация.

Серия 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. Для п ср по зависимостям Мс = f(n ср) определяем Мс, Н-м, затем для п ср по зависимостям tn = f(n ср) определяем tn, с.

По известной методике /1/ находим энергию Wntn, требуемую для вращения вала ДВС с частотой п ср в течение времени tn; вращающий момент на валу СЭ М2; силу тока якоря Ia, А в расчетном рабочем режиме по зависимостям М2 = f(/a) СЭ при моменте М2; требуемую расчетную частоту вращения якоря СЭ п аср; частоту вращения якоря СЭ на исходных рабочих характеристиках при расчетном значении силы тока якоря Ia — п ао, (по зависимости п ао= f(/a); напряжение на выводах СЭ при силе тока 1а на исходных рабочих характеристиках - Ucmo (зависимости Ucmo = f(/a) , ЭДС в обмотке якоря в рабочем режиме на исходных рабочих характеристиках Еао; ЭДС в обмотке якоря, необходимая для вращения якоря с частотой иаср Еар ; электромагнитную мощность СЭ, требуемая для вращения якоря СЭ с частотой

иасР Рср ; полезную мощность на валу СЭ, требуемая для вращения якоря с частотой иаср Р2Ср ; среднее значение электромагнитного КПД ^эмср; полную механическую энергию СЭ за время tn WMexn; минимально допустимое напряжение заряда НЭ в КИТ UH30mm Далее определяются следующие параметры:

Постоянная времени КИТ т2 = Снэ (Ra6 + RH3) = CH3Ra6 +хнэ для условия = £/„„„„_ = Uu + / • R , т.е. когда АБ и НЭ в КИТ работают еще совместно, решая еле-

НЭОН НЭОН Шал Н w НЭ J A J А

дующее равенство:

г(1 -/г)= WMex < t fl.

1" ^" " UHpIa - Ia\Rnp + Rcm)

где: т может изменяться от 0 дооо , но использовать значения т свыше 10000 нецелесообразно.

Сопротивление АБ при UH3QHтах :

у-> н ^а ^а С^пр ^ ^cm)] ^п ^^мехп /-ч

=-/.5 •[/.-x-d' ■)]-|0М- (2>

Емкость НЭ при Ut

нэон тах

Снэ = ,Ф. (3)

аб

Сопротивление НЭ для Цнэонтах :

Кэ =\э /Снэ,Ом. (4)

Максимальное расчетное напряжение заряда НЭ (по условию инЭон < ин + 1аК-нэ):

Vнэон тах = Vнр + 1а ' Кнэ , В■ (5)

Время до остановки СЭ

/ • (R + R + R — II

, 1 а v аб тах пр сту нр

К =-т- 1п---, с . (6)

(II — II + / • К ^ • 1 1нэ

v нэон нр а аб тах /

т

Напряжение на выводах НЭ при отключенной нагрузке:

инэо = инр - 1а ■ Raб + (инэон -ин + 1а ■ Raб) ■ е*-В . (7)

Сила тока НЭ:

гнэ = и»э° ~ и» + 1а'Каб ■ в'1"/г, А . (8)

Сила тока АБ:

Кб + я,

U..„ - U„ + L ■ R,, /Т

— J _ нэо_н а аб _ g-t„ !т д ^^^

Кб + я

Напряжение на выводах КИТ (текущее значение):

инэо = инр - 1а • д

ЭДС в обмотке якоря СЭ:

инэо = инр - 1а ■ Ra6 + (инэон - UH + IaRa6) • , В . (10)

= ин - 1а •(Ra6 + RHP + Rcm) + (^нэон -UH + Ia ■ Ra6^• В . (11)

T2

Время до остановки СЭ (tK < tn < oo ):

1 a \ ab np cm I up / \

tk =-т-In-i-7 . (12)

¡a •( Ra6 + К + R,r„ ) " U, [инэон - UHp + Ia ■ Ra6)

с

Электромагнитная мощность СЭ:

Р = инр ■ 1а -I2a {Ra6 + Rnp + Rcm)+Ia {инэон -инр + Ia ■ Ra6• ,Вт . (13)

Полная мощность АБ с учетом внутренних потерь:

( тт _и + / . р Л

Т нэон нр а об -t /г,

/-----е 2

Рабо = ин ■ ia6 = U„ ■

Кб + RH3 J

,Bm. (14)

Полная мощность НЭ с учетом внутренних потерь:

п _ тт _ • _ (Цр ~ ' R"~> ) ' {^нэон ~ U»p + А- • Ra6) _ f/Т | {Рнэ он + К, ' Ко ) _ -2 i/r2 л, /15ч

Рнэо - нэо ' НЭ - ' ' ' • V/

Каб + + Кнэ

Полная мощность КИТ с учетом внутренних потерь:

А«, = А* + ^ = инр ■ 1а - 1а \инэон-инр + 1а ■ Кабу^е-■ ^ + + 7 • ^) • Вт. (16)

Текущее значение механической работы:

Ке. = \иир ■ 1а - 12а •( Яаб + Кнр + Ясп )• * + 1а \ииэои - инр + 1а ■ Яаб )-(т-тю )-(1 - е-', Дж .(17) Текущее значение энергии (работы) прокручивания вала ДВС за время 1::

Ж = Ж -Л -л , Дж. (18)

п мех Упер Iэмср ? гл \А

Текущее значение КПД СЭП с КИТ за время 1::

Ж

л =—- . (19)

ь„ w v !

ито

Текущее значение механического КПД (КПД преобразования электрической энергии в полную механическую работу, совершаемую СЭ) за время 1::

Ж

л = . (20)

I мех тт^ V >

ито

Энергия НЭ на данный момент времени 1::

Ж = 0,5• С -и2 ,Дж . (21)

НЭК 7 НЭ НЭО7 V /

Энергия полностью заряженного НЭ до напряжения ^Нэон:

Ж = 0,5• С -и2 ,Дж. (22)

НЭОН 7 НЭ НЭОН7 V /

Угол поворота коленчатого вала ДВс за время 1::

Ж

0 = , рад . (23)

Число рабочих ходов:

0-^

Крх =-• (24)

Серия 1. Наземные транспортные средства, энергетические установки и двигатели. Средняя сила тока разряда АБ при работе в КИТ за время t:

. . (ЦНЭОН ~ UHP + Ig • ** Ь-(1 - 7 Т) ,

^ " " + ) • * ' ^ ' ( ) Допустимое время разряда АБ в КИТ током силой 1абср (учитывается только разряд на СЭ при работе в КИТ, затраты энергии на заряд НЭ не учитываются):

6 -10' - 8, • S- п- (70 + 5 • п+- 2 -А Сп)

t =_i_i_—_i_с (26)

P /--(1,36+0,071 -T) , i\ j 1,46 ' V-""/

\e + l) '1 а

Число возможных попыток прокручивания вала ДВС продолжительностью X СЭП с КИТ по запасу энергии АБ (АБ работает только на разряд совместно с НЭ на СЭ):

2П = (27)

^и

Кратность тока АБ ее номинальной емкости:

^20

Далее для различных значений пср и инэон строятся зависимости от времени (от ^ = 0 до / = ¿к ) всех расчетных параметров СЭП с КИТ.

Вывод

Данная методика расчета СЭП с КИТ дает возможность с достаточной точностью определить основные параметры СЭП. Формулы для определения основных параметров СЭП с КИТ позволяют провести сравнительный анализ с другими системами пуска.

Литература

1. Квайт С.М., Менделевич Я.А., Чижков Ю.П. Пусковые качества и системы пуска автотракторных двигателей. - М., Машиностроение, 1990,- с.256.: ил.

Анализ методов расчета и моделирования электродвигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов

Розин П.А., к.т.н. доц. Акимов A.B., Кудинова Л.А.

Университет машиностроения (495) 223-05-29, [email protected] Аннотация. Рассмотрены основные методы расчета двигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. Показано, что наиболее точные данные по характеристикам двигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов могут быть получены путем моделирования их магнитных полей и электрических процессов в обмотках. Дан сравнительный анализ возможных методов их моделирования.

Ключевые слова: электродвигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, методы моделирования, метод конечных элементов, метод граничных элементов

Благодаря своим высоким эксплуатационным характеристикам электродвигатель с постоянными магнитами, широко используется в исполнительных механизмах, включая исполнительные механизмы автомобилей, а также является наиболее перспективными в диапазоне малых и средних мощностей. Он не имеет потерь на возбуждение, обладает высокой стабильностью скорости ротора и высокими пусковыми моментами. Эти качества выделяют его из ряда всех остальных машин и обеспечивают применение в качестве электростартера, а также в системах, где стабильность скорости является первостепенным требованием, предъявляемым к исполнительному механизму. Поэтому проблему их расчета можно рассматри-