CC BY
19
УДК 621.354
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-69-73
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЗАРЯДНО-ДЕСУЛЬФАТИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
М.Б. Маньков, Б.И. Марголис
В статье обоснована актуальность применения устройства, осуществляющего заряд аккумулятора асимметричным током. Доказана необходимость имитационного моделирования при выборе компонентов схемы устройства. Представлена модель зарядно-десульфатирующего устройства, разработанная с использованием программного пакета МЛТЬЛБ БтиНпк. Приведены результаты моделирования работы устройства совместно с источником питания и аккумуляторной батареей при различных параметрах асимметричного тока. Представлены осциллограммы напряжения и тока, полученные в процессе моделирования заряда аккумулятора. Рассмотрены и проанализированы результаты моделирования с целью выбора оптимальной схемы и оценены возможности и перспективы предлагаемого метода.
Ключевые слова: аккумулятор, зарядно-десульфатирующее устройство, асимметричный ток, имитационное моделирование, МЛТЬЛБ БтыНпк
Острой проблемой современной энергетики является аккумулирование энергии, что обусловлено ускоренным развитием альтернативной энергетики и электротранспорта. Сегодня во многих областях предпочтение отдается свинцово-кислотным аккумуляторам, поскольку они экономичны, могут достигать высокой удельной емкости, обладают надежностью при работе в широком диапазоне температур и высокой пригодностью к переработке [1,2].
Одной из самых распространенных неисправностей свинцово-кислотных аккумуляторов является сульфатация. Поэтому разработка и создание эффективного зарядно-десульфатирующего устройства для продления срока службы аккумуляторов является актуальной задачей не только по экономическим соображениям, но и внесет свой вклад в защиту окружающей среды.
Известны различные способы осуществления десульфатации, но одним из лучших является воздействие на аккумулятор асимметричным током [3,4].
Было разработано зарядно-десульфатирующее устройство на основе мультивибратора с использованием коммутатора для поочередного соединения с зарядной и разрядной цепью. Применение узла силового коммутатора позволяет использовать как сетевой источник напряжения, так и солнечную батарею. Подробное описание приведено в [5,6].
Целью данной работы является исследование взаимосвязи между показателями эффективности и параметрами асимметричного тока на основе результатов имитационного моделирования в среде MATLAB Simulink.
Определение эффективности зарядно-десульфатирующего устройства может быть трудоемким и дорогостоящим из-за необходимости проведения большого числа экспериментальных испытаний для различных вариантов схемотехнических решений. Имитационное моделирование может использоваться с целью уменьшения объема физических испытаний, необходимых для выбора компонентов электронной схемы устройства.
На рис. 1 традиционный процесс проектирования представлен в сравнении с модельно-ориентированным проектированием.
а б
Рис. 1. Процесс выбора компонентов: а - традиционное проектирование; б - модельно-ориентированное проектирование
69
Обычный процесс проектирования, показанный на рис. 1, а, включает в себя дорогостоящий и трудоемкий итеративный процесс создания зарядно-десульфатирующего устройства для аккумуляторов, содержащий оценку эффективности с последующей модификацией схемы на каждой итерации. Использование модельно-ориентированного проектирования (рис. 1б) содержит дополнительные шаги, которые делают общий процесс проектирования более производительным, поскольку необходимы лишь несколько итераций модификации тестовой схемы устройства с повторной проверкой оптимальной схемы.
Структура модели (рис.2) включает следующие основные блоки: блок генерации импульсов Multivibrator, блок переключения зарядных и разрядных импульсов Commutator на основе реле, блоки формирования импульсов Charging_circuit и Discharging_circuit.
Каждый блок оформлен в виде подсистемы, что облегчает восприятие модели и позволяет настраивать фрагменты модели по отдельности.
IrrtEgiatETt
Рис. 2. Имитационная модель зарядно-десульфатирующего устройства
Построение моделей электронных систем на физическом уровне возможно с помощью пакета Simscape Electronics и напоминает процесс, происходящий в лаборатории, а диаграмма модели устройства напоминает принципиальную схему [7]. При этом параметры компонентов модели соответствуют характеристикам реальной экспериментальной установки, что позволяет реализовать выбор и настройку параметров опытного образца зарядно-десульфатирующего устройства.
В процессе создания имитационной модели изменялись значения параметров основных элементов и изучалось их влияние на параметры устройства - частоту, коэффициент заполнения, амплитуды зарядного и разрядного импульсов. Преимуществом такого подхода является возможность многовариантного моделирования и изучения работы нескольких устройств при сопоставлении их эффективности.
Simscape автоматически формирует и решает уравнения, описывающие поведение системы. Уравнения Simscape совмещаются с другими моделями Simulink, что дает возможность полностью моделировать работу электртехнической системы. Некоторые трудности вызывает моделирование мультивибратора, поскольку описывающие его работу дифференциальные уравнения могут быть жесткими, но в составе решателей MATLAB Simulink есть решатели таких уравнений [8].
В качестве источника питания в модели используется блок DC Voltage Source, представляющий собой идеальный источник постоянного напряжения, который поддерживает на выходных клеммах напряжение, независящее от протекающего через него тока.
При моделировании для изучения параметров и выбора компонентов, применяемых в различных конфигурациях электрической схемы зарядно-десульфатирующего устройства, использовалась модель батареи, реализованная в виде стандартного блока Battery из библиотеки SimPowerSystems.
Данная модель батареи, предложенная Оливье Трембле [9, 10], адекватно отражает реальное поведение различных типов батарей, основываясь только на трех точках разрядной кривой, приведенной в инструкции производителя. Кроме того, поведение модели при резком изменении тока от заряда к разряду согласуется с экспериментальными результатами, что позволяет моделировать динамическое поведение батареи в процессе заряда и разряда.
Использование этой модели батареи позволяет правильно отображать переходные состояния, которые можно анализировать для точной настройки различных устройств. Поэтому она рекомендована к применению в исследованиях динамического моделирования, таких как системы использования энергии солнца и ветра, гибридные транспортные средства.
Дружественный интерфейс позволяет пользователю вводить необходимые параметры. При проведении исследований использовался свинцово-кислотный аккумулятор емкостью 7,2 Ач, 12 В.
70
Имитационная модель в качестве переменной состояния использует только состояние заряда батареи (SOC). В процессе моделирования были выбраны значения SOC в диапазоне от 0,4 до 0,8 с учетом оптимальных напряжений и срока службы свинцово-кислотного аккумулятора.
Снятие параметров асимметричного тока осуществлялось с использованием датчиков напряжения Voltage Sensor и тока Current Sensor. Для визуализации входных и выходных сигналов использовались блоки осциллографов Scope, с помощью которых проводились наблюдения за изменениями сигналов в процессе моделирования и были построены графики исследуемых сигналов как функции времени.
На рис. 3 представлены осциллограммы асимметричного тока и напряжения, полученные в процессе имитационного моделирования при выборе компонентов для изучения параметров различных конфигураций электрической схемы зарядно-десульфатирующего устройства.
Динамика изменения напряжения и состояния заряда (SOC) в процессе имитационного моделирования приведена на рис. 4. Результаты получены на временном промежутке от 0 до 600 секунд при разных значениях коэффициента заполнения.
Рис. 4. Напряжение и состояние заряда в процессе имитационного моделирования
Оценка эффективности осуществлялась на основании результатов имитационного моделирования. Для количественной оценки эффективности работы устройства использовались коэффициент полезного действия, средний ток и время заряда.
Энергозатраты вычисляли как определенные интегралы зарядных и разрядных импульсов на соответствующих временных диапазонах, а КПД - как отношение энергии переданной в аккумулятор к затраченной энергии. Средний зарядный ток получен интегрированием на определенном промежутке времени. Время заряда определено по средним значениям приращения SOC.
При определении сравниваемых параметров устройства были задействованы блоки библиотеки математических операций - вычисление суммы (или разности) текущих значений сигналов Add, вычисление отношения (или произведения) текущих значений сигналов Divide, умножение сигнала на константу Gain, а интегрирование сигнала осуществлялось блоками Integrator.
Данные сравнительного анализа по результатам имитационного моделирования для конфигураций устройства с различными коэффициентами заполнения приведены в таблице.
Сравнительный анализ
Коэффициентзаполнения,% КПД !ср, А Время заряда, ч
90 0,95 1,3 4,4
75 0,92 1 5,6
33 0,77 0,4 14,2
Выявленный характер изменения оцениваемых параметров для трех вариантов коэффициента заполнения показал рост эффективности с увеличением коэффициента заполнения.
По результатам сравнения был выбран вариант с коэффициентом заполнения 90%. Фактические параметры компонентов устройства, полученные во время моделирования, были включены в оптимальный вариант схемы, но требуют более обширных испытаний экспериментального образца устройства на эффективность восстановления емкости.
Заключение. Разработана и исследована имитационная модель зарядно-десульфатирующего устройства для аккумуляторных батарей, позволяющая сформировать требования к параметрам основных блоков для обеспечения эффективной работы. Рассмотрена работа устройства при различных соотношениях зарядной и разрядной составляющих асимметричного тока. Показано, что за счет изменения режимов работы возможно обеспечить достаточный КПД и скорость заряда, что позволит эффективно восстанавливать работоспособность аккумуляторных батарей.
Имитационное моделирование в среде MATLAB Simulink обеспечивает возможность дополнения и расширения анализируемых параметров зарядно-десульфатирующего устройства в зависимости от новых решаемых задач. Полученные результаты демонстрируют возможности и перспективы использования и совершенствования разработанной модели. Дальнейшая работа предполагает дополнение схемы пороговым устройством для реализации имитационного моделирования заряда аккумулятора от солнечной батареи.
Список литературы
1. Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. М.: Изумруд, 2003. 224 с.
2. Таганова A.A., Семенов A.E. Свинцовые аккумуляторные батареи: стационарные, тяговые, для портативной аппаратуры: справочник. СПб.: Химиздат, 2004. 117 с.
3. Колосовский В.В. Метод десульфатации пластин аккумуляторов при заряде асимметричным током // Известия СПб ГАУ. 2017. №48. С. 199-204.
4. Каменев Ю.Б., Чунц Н.И. Ускоренный метод заряда свинцово-кислотного аккумулятора. 4. Импульсный заряд асимметричным током, газовыделение и ресурс // Электрохимическая энергетика. 2020. Т. 20. № 3. С. 146-156.
5. Патент 2721006 РФ. МПК H02J 7/10. Устройство для заряда и десульфатации аккумуляторов / М.Б. Маньков, К.В. Сидоров. Опубл. 15.05.2020. Бюл. № 14.
6. Маньков М.Б. Разработка автоматического зарядно-десульфатирующего устройства // Сборник трудов XXXII Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов «Биотехнические, медицинские и экологические системы, измерительные устройства и робо-тотехнические комплексы - Биомедсистемы-2019». Рязань: Изд-во ИП Коняхин А.В. (Book Jet), 2019. С. 120-123.
7. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, Simulink и SimPowerSystems. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. 288 с.
8. Дьяконов В.П. Simulink 5/6/7: Самоучитель / В.П. Дьяконов. М.: ДМК Пресс, 2008. 784 с.
9. Tremblay O., Dessaint L.A., Dekkiche A.I. A generic battery model for the dynamic simulation of hybrid electric vehicles // 2007 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. P. 284-289.
10. Tremblay O., Dessaint L.-A. Experimental validation of a battery dynamic model for EV applications // World Electric Vehicle Journal. 2009. Vol. 3 (2). P. 289-298.
Маньков Матвей Борисович, аспирант, dr.mankoff@yandex.ru, Россия, Тверь, Тверской государственный технический университет,
Марголис Борис Иосифович, д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, borismargolis@yandex.ru, Россия, Тверь, Тверской государственный технический университет
MODELING AND INVESTIGATION OF THE OPERATION MODES OF THE CHARGER-DESULFATED
DEVICE FOR BA TTERIES
M.B. Mankov, B.I. Margolis
The article substantiates the relevance of using a device that charges the battery with an asymmetric current. The necessity of simulation modeling is proved when choosing the components of the device circuit. A model of a charging-desulfating device developed using the MATLAB Simulink software package is presented.
The results of simulation of the operation of the device together with a power source and a storage battery for various parameters of asymmetric current are presented. The oscillograms of voltage and current obtained during the simulation of the battery charge are presented. The simulation results are considered and analyzed in order to select the optimal scheme, and the possibilities and prospects of the proposed method are evaluated.
Key words: battery, charging-desulfating device, asymmetrical current, simulation, MATLAB Sim-
ulink.
Mankov Matvey Borisovich, postgraduate, dr.mankoff@yandex. ru, Russia, Tver, Tver State Technical University,
Margolis Boris Iosifovich, doctor of technical sciences, docent, head of chair, borismargo-lis@yandex.ru, Russia, Tver, Tver State Technical University
УДК 004.94; 69
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-10-73-75
АНАЛИТИЧЕСКОЕ СРАВНЕНИЕ ПОДЪЕМНО-ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН В СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ИХ РАСЧЕТ
A.C. Коростин
Широкая механизация и внедрение различный машин и современного оборудования в различные технологические процессы и производство обусловлена высокими темпами научно-технологического прогресса и относительной дешевизной таких внедрений. При этом такие машины, механизмы и оборудования в первую очередь применяются для повышения производительности, а также для осуществления сложных и тяжелых работ, которые невозможно произвести без специального оборудования. Поэтому все чаще в области строительства применяются различные подъемно-транспортные машины, основной задачей которых является перемещение, транспортировка, подъем и другие манипуляции с грузами, почвами, породами и пр. Одной из таких машин является экскаватор, который рассмотрен в настоящей работе. Проводится анализ и систематизация данных об экскаваторах, их классификации, назначении, технологических и технических характеристиках. Помимо прочего экскаваторы требуют проектного расчёта. Одним из основных расчетов является расчет механизма передвижения экскаватора, который и рассмотрен в данной работе. Приводятся формулы расчета механизма передвижения экскаватора и пояснения к данным расчетам.
Ключевые слова: анализ, сравнительный анализ, информация, экскаватор, строительство.
В настоящее время широкая механизация и внедрение различный машин и современного оборудования в различные технологические процессы и производство обусловлена высокими темпами научно-технологического прогресса и относительной дешевизной таких внедрений. При этом такие машины, механизмы и оборудования в первую очередь применяются для повышения производительности, а также для осуществления сложных и тяжелых работ, которые невозможно произвести без специального оборудования [1-9]. Поэтому все чаще в области строительства применяются различные подъемно-транспортные машины, основной задачей которых является перемещение, транспортировка, подъем и другие манипуляции с грузами, почвами, породами и пр. При этом существует огромное количество таким машин, каждая из которых выполняет определенные функции. Одной из наиболее распространенных машин является экскаватор - землеройная машина, предназначенная для выемки горных пород или грунта, а также для погрузки или разгрузки сыпучих материалов. Первые прототипы экскаваторов появились еще у древних греков. В наше время экскаваторы используются повсеместно, включая строительную и горнодобывающую отрасль, коммунальное хозяйство, однако такие машины могут встречаться и других производствах, например, в машиностроении, где они используются в качестве подъемно-транспортного оборудования для отходов, заготовок и т.д. Есть огромное количество классификаций, на которые можно поделить все возможные виды экскаваторов. Основаны они на разных критериях:
• Применение;
• Вид ходового устройства;
• Вид главного двигателя;
• Число двигателей;
• Назначение;
• Исполнение рабочего органа;
• Угол поворота стрелы;
• Вид привода ковша;
• Вид ходовой части.
