CC BY
10Управление мощностью в системе дополнительной энергетики большегрузного автопоезда
А.П. Фомин,
доцент кафедры МГМУ «МАМИ», к.т.н.
В статье рассматривается задача рационального управления мощностью в системе дополнительной энергетики большегрузного автопоезда, содержащей тяговый электропривод. Предложен алгоритм и устройства управления электроприводом для решения этой задачи при работе источников энергии как на традиционном, так и альтернативном топливах.
Ключевые слова: большегрузный автопоезд, система дополнительной энергетики, тяговый электропривод, система управления.
Power Control in Additional Energy System for Heavy Motor Vehicle
A.P. Fomin
This article deals with the improved power control in the additional energy system for heavy motor vehicles, which contains a traction electric drive. A control program and equipment for electric drive are proposed, which help to solve this task in case energy sources with traditional or alternative fuel are used.
Keywords: heavy motor vehicle, additional energy system, traction electric drive, control system.
В последнее десятилетие сохраняется тенденция увеличения перевозок автомобильным транспортом длинномерных тяжеловесных неделимых грузов специального и общехозяйственного назначения, таких как трубы большого диаметра, химические колонны, фрагменты или целые корпуса речных судов и др. Традиционно для таких перевозок используют автопоезда, состоящие из мощного тягача и полуприцепа и способные перевозить грузы массой 40...60 т по автодорогам общей сети. Для надежной доставки грузов в зимних условиях прицепные звенья активизируют, используя тяговый электропривод
с питанием от электрогенератора, устанавливаемого на тягач.
Подобные перевозки относительно редки, однако носят регулярный характер. В ряде случаев грузы являются однотипными. Все это определяет экономическую целесообразность применения в составе автопоезда серийно выпускаемых тягачей, например, КЗКТ и МАЗ, с двигателем мощностью 480 кВт и более, а также специальных полуприцепных звеньев с высокой грузоподъемностью, конструктивно приспособленных под определенный груз [1].
Дальнейший рост массы груза до 100...150 т вызвал необходимость повышения энерговооруженности автопоездов до 750.1000 кВт, увеличения числа полуприцепных звеньев до двух с обязательной активизацией одного из них, благодаря применению второго тягача, прицепляемого к автопоезду сзади, что обеспечивает быстрое формирование автотранспортного средства (АТС) с минимальными затратами. Однако на практике подобное АТС использовалось только для разовых перевозок, так как существенно увеличивался его размер, нужны были два водителя и предполагалось наличие балластного тягача без вертикальной нагрузки, что снижало проходимость АТС. Работа водителей требовала согласованности, поэтому устанавливалась надежная радиосвязь между ними, что, однако, не исключало возможность ошибок.
При регулярных перевозках более рационально использование дополнительного источника энергии на прицепном звене - автономного блока, состоящего из теплового двигателя (ТД) и тягового генератора, позволяющего наращивать энерговооруженность АТС без ухудшения эксплуатационных свойств. В этом случае к генератору подключаются тяговые электродвигатели колес, образуя систему дополнительной энергетики и активизации (СДЭА) автопоезда.
Двигатель СДЭА может иметь повышенную мощность, так как прицепное звено обычно тяжелее тягача. Однако более удобно использование однотипных двигателей равной мощности, если при этом обеспечивается нужная энерговооруженность.
Работа тепловых двигателей и трансмиссий автопоезда должна быть определенным образом согласована для получения высоких тягово-динамических и тягово-сцепных качеств. В основу согласования целесообразно положить принцип равного участия двигателей в транспортной работе
(1)
К
AT AL
т
'"Ооц«^
где , Ыпм - текущая и максимальная эффективные мощности дополнительного ТД (прицеп); N , Ытм - текущая и максимальная эффективные мощности ТД тягача.
Данное условие предполагает равную загрузку двигателей, что способствует их равномерному износу и повышению долговечности. Лишь при ограниченном сцеплении колес с дорогой и маневрировании может возникнуть необходимость изменения распределения мощности.
При увеличенной силе тяги целесообразно распределение сил тяги звеньев, пропорциональное их сцепным весам, что позволит наилучшим образом использовать сцепные возможности автопоезда
р есц = (2) р {тСЦ
Т Т
где , - текущая сила тяги и сцепной вес прицепного
п /-1СЦ
звена; Гт , "т - текущая сила тяги и сцепной вес тягача.
Может также рассматриваться принцип минимизации суммарных потерь мощности в трансмиссиях при заданном уровне входной мощности, соответствующий получению максимального КПД. Однако расчеты показали, что распределение мощности двигателей при минимуме потерь приводит к резкому (до 3-5 раз) искажению величины КЫ , что может неблагоприятно отразиться на основных эксплуатационных свойствах АТС.
Обеспечение заданного распределения мощности между звеньями автопоезда с разнородными трансмиссиями делает необходимым сопоставление регулировочных характеристик трансмиссий и определение способа совместного управления ими. Известно, что гидромеханическая трансмиссия (ГМТ), обычно применяемая на мощных тягачах, обладает свойством саморегулирования. Ее характеристики не могут быть изменены в процессе движения. В то же время в тяговом электроп ри воде (ТЭП) испол ьзуютсистемы автоматического
Коррекция
Рис. 1. Схема системы управления ТЭП
регулирования, дающие возможность изменять режим работы по заданным мощности и силе тяги. Поэтому рассматриваемую задачу целесообразно решать автоматической подстройкой электропривода под режим работы тягача (рис. 1).
На тягаче двигатель ТД связан с колесами К через трансмиссию ГМТ, на прицепном звене - через силовой генератор СГ и тяговые электродвигатели ТЭД. Датчики мощности тягача ДМТ и прицепного звена ДМП позволяют получить информацию о мощности их тепловых двигателей. Сигнал по мощности Ызт от ДМТ является задающим. По нему генератор СГ обеспечивает нагрузку дополнительного ТД, которая устанавливается изменением тока возбуждения с помощью регулятора тока РТВ. Электрическая мощность генератора может быть определена через его ток и напряжение известными способами [2]. По ней получен сигнал обратной связи Ып, пропорциональный механической мощности генератора, а значит и мощности ТД. Устройства, обеспечивающие получение сигнала Ып, условно объединены в датчик мощности ДМП. Сигнал управления АЫ, являющийся разностью сигналов Ызт и Ып, воздействует на регулятор РТВ, обеспечивая регулирование мощности на заданном уровне. Схема допускает изменение соотношения мощностей коррекцией настройки масштабного усилителя МУ. Для расширения скоростного диапазона, в котором необходимо обеспечить желаемое распределение мощности, предусматривается ступенчатое регулирование возбуждения тяговых электродвигателей, связанное с переключением передач в ГМТ или со скоростью движения АТС.
Определение крутящего момента ДТ с помощью датчика мощности тягача вызывает известные трудности. Поэтому рассматривались и другие варианты измерения мощности: по мгновенному расходу топлива и частоте вращения ТД; по входной и выходной частотам вращения гидротрансформатора трансмиссии.
Первый способ опирается на заводские характеристики ТД и измерение расхода топлива как разность расходов подаваемого двигателю топлива и избыточного, сливаемого обратно в бак. По текущим значениям данного расхода и частоты вращения вычисляется эффективная мощность. Очевидно, что этому способу свойственны погрешности косвенного определения мощности. Кроме того, текущий расход топлива может определяться с большой ошибкой, так как является разностью превышающих его двух
первичных расходов, также измеряемых с некоторой погрешностью. Следовательно, точность определения мощности не может быть достаточно высокой.
Второй способ также известен и применялся на практике в измерительных целях [3]. Он предполагает определение частот вращения насосного и турбинного колес гидротрансформатора (ГТ) и расчет его входной мощности по безразмерным характеристикам. Технически способ более прост по сравнению с предыдущим и мог бы использоваться в рассматриваемой системе управления. Однако и он не позволяет получить высокую точность измерений, так как не учитывает влияние многих побочных факторов, таких как разброс характеристик, изменение рабочей температуры и др. А в режиме блокировки ГТ, применяемом при движении на высоких скоростях, измерение мощности становится невозможным.
Таким образом, необходимо найти альтернативное решение, не требующее применения датчика мощности.
Предлагаемая система управления строится на базе задатчика режима СДЭА, формирующего сигналы управления по мощности и току тягового генератора. Задатчик преобразует угол а перемещения педали акселератора тягача в электрические сигналы управления по мощности и току. Первый сигнал реализует взаимосвязь а с заданной электрической мощностью генератора Рз , второй - с током нагрузки /з. В основе задания режима лежит ряд требований.
1. При полном нажатии педали акселератора должен быть обеспечен отбор максимальной свободной мощности дополнительного ТД независимо от включения его вспомогательных нагрузок и изменения внешних условий без перегрузки двигателя в результате работы системы.
2. При сброшенной педали мощность Рз должна стремиться к нулю.
3. В промежуточных положениях, соответствующих частичной мощности, должна быть обеспечена равная загрузка тепловых двигателей в среднем, то есть допускается разброс мгновенных значений Кы вокруг выбранного среднего.
4. В режимах трогания и движения с малой скоростью силы тяги звеньев должны распределяться пропорционально их сцепным весам.
Предполагается, что угол поворота а однозначно связан с частотой вращения на холостом ходу ТД тягача птХХ , взятой по определенной регуляторной характеристике. Тогда каждому значению а соответствует эффективная мощность этого двигателя N , которую будем считать заданной для ТД СДЭА, с коэффициентом пропорциональности Кы .
На рис. 2 показаны скоростные характеристики, приведенные на вал ТД тягача.
На внешнюю характеристику мощности N (кривая 1) нанесены нагрузочные характеристики 2 и 3, ограничивающие область совместной работы двигателя и гидротрансформатора при передаточном отношении последнего /, изменяющегося от 0 до 0,9. Показана также кривая мощности N в функции частоты вращения ТД тягача п т. Она проходит через точку максимума мощности и в средней части приближается к среднеэксплуатационной нагрузочной характеристике. При малых частотах пт, близких к холостому ходу, N=0. Такой характер зависимости соответствует указанным требованиям по распределению мощности двигателей. Основываясь на данной кривой можно определить мощность генератора Рз по формуле
Р3={Ы3К„-АЫсп)цшцт, (3)
где - потери мощности на собственные нужды и привод вспомогательных механизмов ТД СДЭА; пмп - КПД механического привода генератора; пг - КПД генератора.
Определенную сложность представляет поиск среднеэксплуатационной нагрузочной характеристики, соответствующей среднему передаточному отношению ГТ /' . Эта величина зависит от ряда факторов - массы груза, коэффициента сопротивления качению, средней скорости движения. Для выяснения области изменения /' были проведены расчеты на математической модели движения большегрузного автопоезда с СДЭА по эксплуатационной трассе с последующей экспериментальной проверкой. Анализ результатов показал, что для практических целей можно рекомендовать значения /' в диапазоне 0,73.0,8, для автопоездов с удельной мощностью 3,5.6,0 кВт/т предпочтительна
Рис. 2. Зависимость мощности N от частоты вращения пт
т
'"Ооц«^
величина 0,73...0,75, при большей энерговооруженности 0,75...0,8.
По выбранному / и безразмерным характеристикам ГТ найдем приведенный коэффициент первичного момента Лп , затем искомую зависимость (пт)
Ы3=Хп(пТ/итУ + ДЛГС1
(4)
где имт - передаточное число механической связи ТД и ГТ тягача; ДМст - потери мощности на собственные нужды и привод вспомогательных механизмов ТД тягача.
Затем согласно (3) определим взаимосвязь Рз (пт).
Распределение мощности по величине Кы изменяется при трогании АТС и движении с малой скоростью. В этих режимах для ТЭП характерны меньшие, чем в ГМТ, потери мощности. Это приводит к относительному увеличению силы тяги прицепного звена. В то же время при коэффициентах сцепного веса 0,6.0,65, что реально на практике, сцепной вес прицепного звена может быть меньше, чем у тягача. Создаются предпосылки для активного и неконтролируемого водителем буксования колес прицепного звена, опасного из-за снижения курсовой устойчивости АТС. В связи с этим силу тяги следует ограничить согласно (2) в зависимости от силы Г , взятой при нулевом передаточном отношении ГТ.
Для этого случая по безразмерным характеристикам
найдем приведенный коэффициент первичного момента
Лп0 , коэффициент трансформации К0 и определим силу
тяги тягача при движении на первой передаче
_ ^„о Ко К ит лт _ ..2
где ит , пт - передаточное число и КПД трансмиссии тягача; гт - радиус качения его колес.
Тогда крутящий момент электродвигателя равен
М =
автопоезда соответствуют величина птХХ , значение Мз, определенное по (4) и лежащее на пересечении характеристик 1 и Из , и величина Мт0 , определенная по (5) и лежащая на пересечении характеристик 1 и Мт0 . Для расчета силы тяги Гт0 находим частоту вращения пт0 , затем вычисляем крутящий момент электродвигателей М и ток генератора /з .
Функциональная схема системы автоматического регулирования (САР) по предложенной программе показана на рис. 4.
Тяговый генератор СГ, подключенный к электродвигателям (нагрузка), получает возбуждение от вспомогательного генератора ВГ через управляемый выпрямитель УВ. Он имеет датчики напряжения ДН и тока ДТ, предназначенные для получения сигналов обратных связей соответственно и и / . По ним с помощью умножителя УМ
ос ос 1 '
формируется сигнал обратной связи Рос , пропорциональный электрической мощности генератора. Датчик частоты вращения ДЧВ механически связан с генератором. От него поступает сигнал обратной связи по частоте вращения двигатель-генераторной установки пос .
На тягаче установлен датчик перемещения педали акселератора, входящий в состав задатчика режима ЗР. По его сигналу а функциональные преобразователи ФП1 и ФП2 формируют сигналы задания электрической мощности и тока генератора соответственно Рз и /з . В систему регулирования также входит четырехканальный блок управления возбуждением БУВ, на который приходят задающие сигналы и сигналы отрицательной обратной связи соответственно по мощности Рз и Рос , по току /з и / , по напряжению и и и , по частоте вращения п и
ос з ос з
пос . При этом первые два задающих сигнала зависят от режима работы тягача, третий может быть постоянным и ограничивает максимальное напряжение генератора.
т ипГ|п
где гп - радиус качения колеса прицепного звена; т - число тяговых электродвигателей; ип , пп , - передаточное число и КПД механической передачи от электродвигателя к колесу.
Ток генератора /з определим через токи электродвигателей по крутящему моменту М и в соответствии со схемой подключения к генератору.
Мощность ТД тягача при трогании АТС рассчитаем аналогично (4) по формуле
Л^^^/ОЧДЛ^. (5)
Полученные таким образом взаимосвязи иллюстрирует рис. 3.
На рис. 3 представлены регуляторные характеристики 1 и 2, каждой из которых (например, 1) в условиях
Рис. 4. Схема автоматического регулирования
Четвертый сигнал пз соответствует минимальной разрешаемой частоте вращения для текущей регуляторной характеристики дополнительного ТД. Масштабный усилитель У с переменным коэффициентом передачи позволяет водителю изменять соотношение сил тяги звеньев АТС в условиях низкого сцепления колес с дорогой и при маневрировании.
Принцип работы системы основан на поддержании на заданном уровне одного из четырех параметров путем формирования разностного сигнала управления Д и воздействия им на выпрямитель УВ. Выбор параметра определяется по минимальной мощности, необходимой для поддержания заданного уровня. Так, при трогании автопоезда регулирование ведется контуром тока, и при этом действует относительно небольшая мощность. По мере разгона она увеличивается, и регулирование переходит к контуру мощности. На высоких скоростях возможно превышение максимального напряжения, и тогда в работу включается контур ограничения напряжения. Если от дополнительного ТД запрашивается чрезмерно большая мощность, приводящая к снижению сигнала пос ниже уровня пз , начинает действовать контур ограничения частоты вращения. Излишняя нагрузка снимается, и двигатель работает с максимальной подачей топлива при фиксированной частоте вращения.
Для приема необходимой нагрузки двигатель СДЭА предварительно выводят в заданный скоростной режим с определенной пз . Обычно в груженом состоянии АТС он соответствует предельной регуляторной характеристике, в порожнем - частичной характеристике из середины рабочего диапазона. Изменение скоростного режима в зависимости от груза позволяет сэкономить топливо и повысить моторесурс дополнительного ТД.
Предлагаемая САР была реализована и испытана на экспериментальных образцах большегрузных автопоездов с СДЭА. Она обеспечила реализацию описанной программы регулирования, необходимую устойчивость и надежность. В подавляющем большинстве режимов движения получено равномерное распределение мощности тепловых двигателей с отклонением средних значений в пределах 6.8 %, допустимых на практике.
В зимних испытаниях выявлено, что при отсутствии буксования колес тягача буксование колес прицепного звена обычно не возникает. Лишь при резком нажатии на педаль акселератора в режиме трогания наблюдался ускоренный рост силы тяги прицепного звена, связанный с инерционностью силовой установки тягача и вызывающий опережающую пробуксовку колес прицепного звена. Для устранения этого эффекта была ограничена скорость нарастания сигнала задания тока.
Проведенные испытания, проходившие в разнообразных режимах движения и дорожных условиях, в том числе с блокировкой ГТ, подтвердили эффективность предложенного способа управления мощностью СДЭА. Данный способ не сложен в реализации, позволяет сохранить традиционные органы управления и упростить работу водителя. Он может успешно применяться в новых разработках, предусматривающих возможность наращивания энерговооруженности автопоездов при использовании стандартных тягачей.
Литература
1. Гладов Г.И., Петренко А.М. Специальные транспортные средства: Проектирование и конструкции. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. - 320 с.
2. Погарский Н.А., Степанов А.Д. Универсальные трансмиссии пневмоколесных машин повышенной единичной мощности. - М.: Машиностроение, 1976. - 224 с.
3. Каноник И.В. и др. Определение нагрузочных режимов гидромеханической передачи транспортных и тяговых машин с применением ЭВМ. В сб. «Применение электронных вычислительных машин для инженерных расчетов и исследований». - Минск: Изд. «Беларусь», 1966. - С. 35-47.
