Методы и средства повышения эффективности систем тягового электропривода автономных транспортных средств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Методы и средства повышения эффективности систем тягового электропривода автономных транспортных средств

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Многие промышленные предприятия имеют достаточно большой парк машин напольного безрельсового электротранспорта (электропогрузчики, электрокары и др.), источниками питания которых являются аккумуляторные батареи (АБ). Это связано с тем, что с каждым годом возрастает объем перевозок малогабаритного груза на железнодорожных вокзалах, в грузовых портах, складских помещениях и т.д. Значительная часть указанных транспортных средств (ТС) имеет устаревшие морально и физически системы управления тяговыми электроприводами, которые нуждаются в модернизации. Такие ТС имеют существенный недостаток - малое время пробега между двумя соседними зарядами АБ. Если учесть, что АБ заряжается 6-8 часов, а разряжается за 2-3 часа, то можно сделать вывод о том, что ТС большую часть рабочего цикла простаивает на зарядной станции. Поэтому для выполнения определенного объема перевозок предприятие должно иметь значительный парк автономных ТС.

В связи с этим перед специалистами остро ставится вопрос об энергосбережении в сфере деятельности электрического транспорта. Это связано с тем, что цены на энергоносители будут расти все обозримое время, как показывают прогнозы, с темпом 10…15% в год, что вызовет рост энергетической составляющей затрат в энергоемких отраслях промышленности и на электрическом транспорте в пределах 6…8% ежегодно.

Установка полупроводниковых систем управления тяговым приводом увеличивает время межзарядного пробега ТС, но приводит к появлению дополнительных потерь, связанных с процессами коммутации. Независимо от вида системы управления в приводе возникают потери, вызванные нагрузкой и ее изменением. Для снижения указанных потерь и дальнейшего увеличения величины пробега требуется включать в состав энергоустановки дополнительные устройства, т.к. возможности совершенствования существующих АБ в настоящее время практически исчерпаны.

Таким образом, создание экономичного транспортного средства может вестись по двум направлениям:

1. Поиск альтернативных источников питания.

2. Разработка комбинированных энергоустановок (КЭУ), включающих в себя электроприводы как постоянного, так и переменного тока, которые интенсивно внедряются в промышленности и на транспорте.

Представляют интерес особенности использования тягового электропривода переменного тока в автономных транспортных средствах. Так как статические характеристики асинхронного двигателя значительно отличаются от тяговой характеристики транспортного средства, то для его управления следует использовать более сложные алгоритмы управления.

При решении задачи рационального управления автономным ТС необходимо учитывать случайный характер процессов, протекающих в системе тягового привода. Анализ и синтез таких САУ должен проводиться статистическими методами, позволяющими учесть влияние случайных факторов на ход процессов и их конечный результат. Это приведет к более точному расчету параметров элементов энергоустановки и, в конечном итоге, к полному использованию ТС по энергетическим показателям.

Комбинированная энергетическая установка автономного ТС представляет собой сложную техническую систему, состоящую из ряда подсистем, взаимно связанных между собой. Попытка решить вопросы повышения эффективности работы тягового электропривода путем оптимизации каждой подсистемы в отдельности по независимым критериям, пренебрегая их взаимными связями, приведет к тому, что такая оптимизация не даст наилучший результат как для отдельной подсистемы, так и всей системы в целом. Очень важно учитывать и анализировать взаимные связи происходящих в этих устройствах электрических и электромагнитных процессов и при этом использовать некоторый обобщенный критерий эффективности.

Тяговый электропривод с КЭУ описывается системами нелинейных дифференциальных уравнений достаточно высокого порядка, поэтому исследование таких систем часто осуществляется методом структурного моделирования с применением различного рода прикладных программ. Актуальным является создание библиотеки макро-блоков различных элементов КЭУ, что дает возможность упростить исследование и сравнительную оценку систем тягового электропривода.

Вопросам разработки и совершенствования систем управления тяговыми электроприводами автономных транспортных средств, направленных на повышение эффективности их функционирования, посвящено достаточное количество работ. Значительный вклад в решение проблемы энергосбережения внесли: Абрамов Б.И., Бут Д.А., Иванов А.М., Ильинский Н.Ф., Калабухов О.Р., Сурин Е.И., Петленко Б.И., Пантелеев В.И., Подобедов Е.Г., Пречисский В.А., Феоктистов В.П., Щуров Н.И., Яковлева О.А. и др.

Задачи синтеза систем тягового электропривода, расчета оптимального соотношения параметров элементов энергоустановки, обеспечивающих эффективное функционирование автономного транспортного средства, решались авторами: Бутом Д.А., Ивоботенко Б.А., Ильинским Н.Ф., Кочетковым В.П., Лихомановым А.М., Логачевым В.Н., Суриным Е.И., Петленко Б.И., Яковлевой О.А. и др.

В Новосибирском государственном техническом университете (ранее - Новосибирский электротехнический институт) разработкой и исследованием систем автоматического управления с источниками питания ограниченной мощности занималась группа сотрудников под руководством В.Н. Ельсукова: Аносов В.Н., Вагнер Н.В., Кавешников В.М., Кошкин Ю.Н., Купрюхин А.И., Мордвинов С.И., Раздобреев М.М., Ренин С.В., Стернина С.Л. и др. Применительно к автономным транспортным средствам работа продолжена учениками Ельсукова В.Н. - Аносовым В.Н., Кавешниковым В.М., Мордвиновым С.И. Результаты их исследований использованы при разработке электротрансмиссий электромобилей, электробусов и электропогрузчиков.

Известные работы, выполненные в различное время в разных научных школах, в основном содержат решение отдельных невзаимосвязанных вопросов, относящихся, как правило, к тяговым приводам электромобилей. Отсутствие комплексных исследований повышения эффективности функционирования систем тягового электропривода рассматриваемого в работе класса транспортных средств с точки зрения единого критерия с учетом как неизменных, так и случайных факторов, не позволяют адекватно оценить происходящие в них процессы, раскрыть неиспользованные резервы и повысить их экономичность.

Предлагаемый в диссертационной работе комплекс задач сформулирован в контексте создания компьютерных моделей отдельных блоков комбинированной энергоустановки с целью их использования при моделировании систем тягового электропривода различного вида и сложности.

Проводимые разработки подкрепляются сравнительной оценкой результатов моделирования с экспериментальными характеристиками.

Цель работы и задачи исследования. Цель диссертационной работы состоит в разработке методов и средств повышения энергетической эффективности систем тягового электропривода, увеличивающих время межзарядного пробега автономных транспортных средств, а также в создании компьютерной модели, позволяющей с помощью структурного моделирования объективно проводить сравнительную оценку различных тяговых приводов и выбирать наиболее приемлемый вариант с точки зрения обобщенного критерия эффективности.

Для достижения поставленной цели должны решаться следующие основные задачи:

1. Обоснование обобщенного критерия эффективности для синтеза и сравнительной оценки различных систем тягового электропривода, формулировка ограничений задачи, разработка алгоритма расчетов и сравнения исследуемых систем.

2. Анализ средств и методов повышения энергетической эффективности систем тягового электропривода в статических и динамических режимах работы, приводящих к увеличению времени межзарядного пробега автономных транспортных средств.

3. Выявление законов распределения случайных процессов управляющих и возмущающих воздействий в системе тягового электропривода на основании обработки статистического материала, полученного при эксперименте на действующем транспортном средстве в реальных условиях эксплуатации.

4. Разработка компьютерной модели блока управляющих и возмущающих воздействий, используемого при анализе, синтезе и сравнительной оценке систем тягового привода с использованием реальных испытательных циклов различной формы и длительности.

5. Разработка единого оригинального методического подхода к математическому описанию разных источников питания, заданных зарядно-разрядными характеристиками, с целью разработки компьютерных моделей как основного, так и буферного источников энергии.

6. Поиск новых методов и средств, существенно повышающих эффективность процесса преобразования энергии в системе тягового электропривода и увеличивающих время межзарядного пробега автономного транспортного средства.

7. Создание методики выбора основных элементов комбинированной энергоустановки с учетом случайного характера изменения нагрузки, позволяющих увеличить энергетическую эффективность тягового электропривода.

8. Параметрический и структурный синтез систем тягового электропривода с использованием выбранного обобщенного критерия эффективности с целью получения наибольшего времени межзарядного пробега автономного транспортного средства.

9. Анализ особенностей использования тягового электропривода переменного тока в автономных транспортных средствах рассматриваемого в работе класса.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использованы методы теории электропривода, теории автоматического управления, математической статистики, оптимального планирования экспериментов, компьютерного моделирования динамических объектов.

Достоверность полученных результатов исследования обоснована корректностью поставленных задач, принятыми допущениями и адекватностью используемых при исследовании математических моделей и методов, сравнением результатов расчетов с экспериментальными данными.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод анализа и синтеза систем тягового электропривода автономного напольного электротранспорта в статических и динамических режимах работы, содержащий:

- обобщенный критерий эффективности, используемый при параметрическом и структурном синтезе системы тягового электропривода с целью максимизации времени межзарядного пробега автономного транспортного средства, а также при сравнении разных систем привода для выбора наиболее экономичного варианта;

- алгоритм сравнительной оценки различных систем тягового электропривода, основанный на комплексе компьютерных моделей элементов комбинированной энергоустановки и модели внешних воздействий;

- методику выбора коэффициента усиления обратной связи по току двигателя по минимуму энергии, потребляемой от источника питания, основанную на учете кинетической энергии движущихся масс тягового электропривода.

2. Результаты обработки статистического материала, позволяющие разработать блоки управляющих и возмущающих воздействий, которые могут быть использованы при анализе и сравнительной оценке различных систем тягового электропривода для задания внешних воздействий, соответствующих реальным нагрузкам на привод.

3. Методологический подход к математическому описанию источников питания, заданных зарядно-разрядными характеристиками, который позволяет учитывать как процесс заряда-разряда при эксплуатации, так и изменение внутреннего сопротивления за счет величины частоты коммутации полупроводникового преобразователя.

4. Применение нового элемента системы - силового фильтра, установленного между источником питания и преобразователем, питающим тяговый электродвигатель, для сглаживания пульсаций тока и, как следствие, уменьшения потерь в АБ и увеличения времени межзарядного пробега ТС.

5. Возможные варианты использования электрохимических конденсаторов в составе энергетической установки автономного транспортного средства для повышения эффективности функционирования систем тягового электропривода.

6. Результаты многостороннего анализа различных подсистем комбинированной энергоустановки, позволяющие достаточно точно оценить целесообразность их использования по предложенному обобщенному критерию эффективности в рассматриваемых системах электротранспорта.

Научная значимость и новизна работы заключается в повышении энергетических и техническо-экономических показателей системы тягового электропривода автономного транспортного средства при случайном характере изменения нагрузки путем стабилизации тока источника питания за счет применения силового фильтра и соответствующего управления буферным источником питания.

Каждый из приведенных ниже основных результатов диссертации относится к разряду вновь полученных:

1. Разработан обобщенный критерий эффективности для синтеза и сравнительной оценки систем тягового электропривода.

2. Создано математическое описание процессов движения автономного транспортного средства, отражающее реальные условия эксплуатации.

3. Разработан и создан моделирующий алгоритм, позволяющий исследовать любую систему тягового электропривода и рассчитать время межзарядного пробега автономного транспортного средства.

4. Разработаны новые принципы построения систем тягового электропривода, обеспечивающие высокие энергетические и динамические показатели автономного транспортного средства.

5. Создано математическое описание источников питания, используемых в автономных транспортных средствах, адекватно отражающее процессы их функционирования.

6. Предложена методика синтеза статических характеристик тягового электропривода, обеспечивающая минимум потребления энергии от источника питания.

7. Доказана эффективность применения силового фильтра для повышения экономичности автономного электротранспорта, предложена методика выбора схемы и расчета его параметров при случайном характере внешних воздействий.

8. Создана компьютерная модель блока внешних воздействий, позволяющая реализовать статистические испытательные циклы различной длительности при реальных изменениях как управляющих, так и возмущающих воздействий.

Практическая ценность работы заключается в решении научно-технической проблемы создания новых эффективных способов управления системами тягового электропривода с комбинированными энергоустановками, поиске средств их реализации и мер, направленных на снижение потерь в приводе. Совокупность полученных теоретических и практических результатов создает объективные предпосылки для расширения области применения и внедрения в практику проектирования разработанных методов и средств с целью сбережения энергетических затрат на осуществление производственного процесса.

Использование моделирующих алгоритмов и компьютерных программ сокращает сроки опытно-конструкторских работ и повышает точность расчетов, а в эксплуатационной практике позволяет адекватно реальным условиям отражать процессы функционирования и определять параметры систем тягового электропривода, что в результате обеспечит энерго- и ресурсосбережение.

Реализация результатов работы. Основные результаты работы использованы при выполнении госбюджетных и хоздоговорных НИР, выполняемых в НГТУ (НЭТИ) по заказам предприятий и организаций, связанных с разработкой новых и модернизацией существующих систем тягового электропривода, энергосберегающих технологий и различного рода устройств с высокими энергетическими показателями.

Предложенные способы, средства и разработанные методы синтеза и определения параметров обусловили их востребованность в исследованиях и разработках тяговых электроприводов постоянного и переменного тока, выполнявшихся ООО «Сибэлектропривод», ООО научно-производственной фирмой «Ирбис» и ОАО Сибирским филиалом ВНИКТИ.

Результаты проводимых под руководством и при непосредственном участии автора научно-исследовательских работ, связанные с разработкой систем тягового электропривода автономных транспортных средств, нашли применение на ряде предприятий гг. Новосибирска, Ильичевска, Тольятти.

Материалы диссертации, касающиеся математического описания источников питания, методов синтеза систем автоматического управления при случайных воздействиях, структурного моделирования нелинейных САУ, используются в учебных дисциплинах для студентов направлений 140600 - «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» и 220301 - «Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)» Новосибирского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IV Международной (XV Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития», Магнитогорск, 14-17 сентября 2004 г., АЭП - 2004; Тринадцатой международной научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока», Екатеринбург, 15-18 марта 2005 г., ЭППТ - 05; The 9^th Russian-Korean International Symposium on Science and Technology, 26^th June - 2^nd July 2005, Novosibirsk State Technical University, KORUS - 2005; Второй научно-технической конференции с международным участием «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», Новосибирск, 25-26 октября 2005 г., ЭЭЭ - 2005; Международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2006», Санкт-Петербург, 27-28 июня 2006 г.; The 1^th International Forum On Strategic Technology «e-Vehicle Technology», Ulsan, KOREA, Oct. 18-20, IFOST 2006; Международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2007», Санкт-Петербург, 26-27 июня 2007 г.; V Международной (16 Всероссийской) конференции по автоматизированном электроприводу АЭП-2007, Санкт-Петербург, 18-21 сентября 2007 г.; The Second International Forum on Strategic Technology, Ulaanbator, Mongolia, 3-5 October 2007; Третьей научно-технической конференции с международным участием «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», ЭЭЭ - 2007, Новосибирск, 25-26 октября 2007.

Публикации. Всего опубликовано 63 работы, из которых по теме диссертации - 38, в том числе:

- 11 статей, вошедших в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий;

- 17 - в сборниках научных трудов;

- 10 - в трудах международных научно-технических конференций.

В работах 8,10,11,14,15,16,17,21,22,25,27,34,35,38 соискателю принадлежит общая постановка задачи и теоретическая часть. Обработка результатов и выводы проведены соавторами совместно. В работах 5,6,7,9,12,13,18,19,20,24,28,30,33,36 соискателем выполнена общая постановка задачи и обработка результатов. Теоретическая часть и выводы выполнены соавторами совместно.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 136 наименований и 5-ти приложений. Общий объем диссертации 271 страница основного текста, включая 129 рисунков и 24 таблицы.

Содержание работы

тяговый электропривод транспортный автономный

Во введении показана преемственность исследований с результатами разработок в области систем тягового электропривода, полученных в научных школах МЭИ (ТУ), МАДИ (ТУ), НАМИ, МГТУ (МАМИ) и др. Отражены научные проблемы, актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, описаны методы исследований. Приведены основные положения, выносимые на защиту, изложены сведения о научной значимости и практической ценности, реализации и апробации работы.

В первой главе рассматривается алгоритм, используемый для анализа, синтеза и сравнительной оценки систем тягового электропривода в соответствии с предложенным критерием эффективности, анализируются возможные способы увеличения времени межзарядного пробега автономных транспортных средств.

Предложенный алгоритм представлен блок-схемой, приведенной на рис. 1.

Рис. 1. Блок-схема алгоритма расчета системы привода

Блоки этой модели должны иметь определенный набор внешних воздействий, чтобы их можно было заменить другими без ущерба для остальных.

При проектировании систем тягового электропривода автономных транспортных средств перед исследователем стоит сложная задача выбора наиболее приемлемого критерия эффективности. Этой проблеме посвящено много работ, но, тем не менее, она остается актуальной.

Класс аккумуляторных средств напольного электротранспорта, рассматриваемых в работе, предназначен для выполнения широкого круга технологических операций, связанных с перемещением груза в пределах цеха, для обеспечения определенной последовательности обработки изделий. Поэтому эффективность использования аккумуляторных ТС в указанных режимах эксплуатации определяется не частными показателями (грузоподъемностью, величиной транспортной работы, скоростью и динамичностью перемещения и др.), а интегральным показателем качества - временем межзарядного пробега. Время межзарядного пробега - это время, по истечении которого напряжение полностью заряженной АБ уменьшается до минимально возможного по условиям эксплуатации АБ значения.

Следовательно, выбор времени пробега в качестве критерия эффективности работы аккумуляторных транспортных средств целесообразен с экономической точки зрения и может быть использован при проектировании тяговых электроприводов и их сравнении между собой при выборе конкретного типа электропривода.

Критерий эффективности, предложенный в работе, где в качестве важнейшего показателя выбрано время межзарядного пробега, определяется выражением:

(1)

где P(t) - мощность на валу тягового электродвигателя;

W(t) - энергия, отдаваемая АБ.

В качестве тяговых двигателей напольных транспортных средств могут использоваться электродвигатели постоянного тока последовательного возбуждения или асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором.

В результате преобразований искомый критерий, используемый в электроприводах постоянного тока, может быть представлен в виде:

(2)

при ограничении ; - минимально возможное напряжение АБ, при разряде ниже которого в аккумуляторе возникают необратимые процессы.

Для тяговых электроприводов переменного тока критерий эффективности будет рассчитываться по формуле:

, (3)

где (4)

(5)

Максимизация интегралов (2), (3) позволит улучшить энергетическую эффективность системы тягового привода автономного транспортного средства и выбрать наилучший вариант. В работе предлагается использование для этой цели численных методов (например, метода оптимального планирования экспериментов), с применением алгоритма, приведенного на рис. 1. Такой путь решения задачи дает возможность сравнить различные системы по выбранному критерию как при детерминированном цикле движения, так и при случайном характере изменения управляющего и возмущающего воздействий. Данный критерий может считаться обобщенным, так как его составными элементами являются достаточно часто используемые в исследованиях критерии эффективности.

Важной задачей, решаемой при проектировании систем тягового электропривода напольного безрельсового электротранспорта, источником питания которого служит аккумуляторная батарея, является нахождение всевозможных средств стабилизации тока АБ. Теоретическими и экспериментальными исследованиями, проведенными сотрудниками кафедры электропривода и автоматизации промышленных установок Новосибирского государственного технического университета при участии автора работы, установлено, что АБ отдает значительно большую емкость при ее разряде неизменным током, по сравнению с разрядом пульсирующим током, при постоянстве отдаваемой энергии. Поэтому стабилизация тока АБ позволяет увеличить время межзарядного пробега ТС.

Экспериментальными исследованиями, проведенными на действующем автономном транспортном средстве, установлено наличие в токе нагрузки аккумуляторной батареи низкочастотных колебаний тока значительной амплитуды. Для их сглаживания предлагается установить между АБ и преобразователем силовой фильтр.

Во многих случаях режимы движения автономных транспортных средств характеризуются существенной неравномерностью потребления энергии от собственной энергетической установки. Указанная неравномерность характеризуется значительным превышением максимальной потребленной мощности над средней, что ведет к неполному использованию установленной мощности тягового энергетического оборудования. Указанная неравномерность столь велика (в городском электротранспорте, электромобилях, электропогрузчиках и т.д.), что уже достаточно давно было предложено радикальное средство для решения этой проблемы, а именно применение накопителей энергии, которые могут сгладить неравномерность потребления мощности, снимая тем самым указанные выше отрицательные эффекты.

Установлено, что наиболее перспективными накопителями энергии являются электрохимические конденсаторы (ионисторы). Их включение в состав энергетической установки автономного транспортного средства позволит сгладить ток нагрузки аккумуляторной батареи и улучшить условия ее эксплуатации.

Вторая глава посвящена разработке блока внешних воздействий для задания управляющих и возмущающих воздействий при исследовании системы тягового электропривода методом структурного моделирования.

При создании блока используется статистический материал, полученный в результате эксперимента на действующем транспортном средстве в реальных условиях его работы.

Целью изучения режимов движения электротранспортного средства является, с одной стороны, получение реальных нагрузок, что позволит проводить сравнительный анализ различных систем тягового электропривода и, с другой стороны, определение путей совершенствования энергетической установки аккумуляторного транспортного средства. Полученный в результате эксперимента статистический материал был систематизирован и обработан, что позволило установить основные закономерности движения электропогрузчика в реальных условиях эксплуатации.

Важным для исследования систем тягового электропривода аккумуляторных транспортных средств является знание зависимостей U_З(t) и М_С(t) и их статистических характеристик, которые потребуются в дальнейшем для расчета параметров энергетической установки и синтеза САУ. Указанные зависимости являются управляющим и возмущающим воздействиями в системе автоматического управления транспортным средством и поэтому имеют важное значение при анализе и синтезе САУ.

Данные реализации случайного процесса получены в результате обработки экспериментальных данных. Проведено доказательство стационарности и эргодичности полученных случайных процессов U_З(t) и М_С(t). Понятие стационарности рассматривается в «широком» смысле, при котором условиями стационарности является независимость от времени математического ожидания, дисперсии случайного процесса и зависимость автокорреляционной функции лишь от величины сдвига по времени.

Достаточные условия слабой эргодичности произвольного случайного процесса состоят в том, что процесс должен быть слабо стационарным, определенные осреднением по времени средние значения m(k) и автокорреляционные функции R (ф, k) должны быть одинаковыми для всех выборочных значений индекса k. Проведенные исследования показали, что случайные процессы U_З(t) и М_С(t) обладают свойством эргодичности.

Знание закона распределения рассматриваемых в работе случайных процессов необходимо для решения ряда задач, в частности, для расчета наиболее вероятной нагрузки на тяговый электропривод, для определения мощности и энергоемкости энергоустановки и оценки её параметров, синтеза силовых фильтров, для моделирования реальных нагрузок при испытаниях системы тягового электропривода и т.п.

Расчеты показывают, что с 5%-ным уровнем значимости можно утверждать, что случайные процессы U_З(t) и М_С(t) описываются нормальным законом распределения.

Для синтеза систем автоматического управления при случайных воздействиях важным является определение статистической связи между управляющими и возмущающими воздействиями. Расчеты, проведенные на ЭВМ показывают, что управляющие U_З(t) и возмущающие М_С(t) воздействия слабо коррелированы между собой.

Для моделирования реальных управляющих и возмущающих воздействий в системах тягового электропривода создан блок внешних воздействий, в котором задаются массивы точек реализаций случайных процессов управляющего U_З(t) и возмущающего М_С(t) воздействий и используется программа линейной интерполяции. Указанный блок реализуется средствами программной системы ИСМА, разработанной в НГТУ.

С целью проверки идентичности создаваемого блока внешних воздействий реальным воздействиям тягового электропривода, проведено моделирование системы привода и сравнение полученных результатов с экспериментальными данными

Сравнительный анализ показывает, что качественная картина переходных процессов практически одинакова. Следовательно, блок внешних воздействий в отношении управляющих сигналов можно считать адекватным реальному управлению.

В третьей главе рассматривается математическое описание как существующих, так и перспективных источников питания (ИП), применяемых в автономных транспортных средствах, получены обобщенные структурные схемы ИП.

В связи с развитием электроприводов с автономными источниками питания химические источники тока (ХИТ) продолжают играть важную роль особенно на подвижных объектах напольного электротранспорта, единственным источником питания которых они являются. Характеристики аккумуляторной батареи (АБ), зависящие от тока разряда, температуры окружающей среды, условий эксплуатации и т.п., оказывают существенное влияние на работу системы автоматического управления. В свою очередь и режимы работы САУ сказываются на поведении и характеристиках АБ. Поэтому при исследовании систем тягового электропривода важно учитывать неидеальность источника питания, а для этого нужно иметь как можно более простое и достаточно точное математическое описание АБ.

Трудность здесь заключается в том, что разрядно-зарядные характеристики АБ нелинейны и имеют сложный вид, а также зависят от состояния предыстории АБ и условий ее эксплуатации.

В данной работе предлагается аппроксимировать разрядные характеристики химического источника тока отрезками прямых линий, как показано на рис. 2. Начальному участку кривых соответствует семейство прямых линий А, прямолинейному - семейство В и конечному - семейство С.

Рис. 2. Разрядные характеристики аккумулятора

Кривые 1,2,3,4 получены при разрядных токах, численно равных Q_Н, 0,5Q_Н, 0,125Q_Н, 0,01Q_Н соответственно.

Аналитически эти прямые могут быть представлены в виде следующих уравнений:

- для семейства А , (6)

- для семейства В , (7)

где q - текущее значение разрядной ёмкости;

U₀, U₀₁, q₀ - постоянные коэффициенты, определяющие координаты точек пересечения семейств прямых А и В.

K₀, K₀₁, K_А, K_В, - коэффициенты, постоянные для данного ХИТ.

Переход от семейства прямых линий А к семейству В происходит при достижении разрядной ёмкостью значения

, (8)

линейно зависящего от тока разряда.

Разрядные характеристики семейства С представляют собой прямые линии, исходящие из точки с координатами q₀₂, U₀₂. Уравнение этого семейства имеет вид, аналогичный (6) и (7)

, (9)

где K_IC - коэффициент наклона разрядных характеристик семейства С, нелинейно зависящий от тока разряда.

Переход от семейства В к семейству С осуществляется при значениях отданной аккумулятором ёмкости q_п1, которая представляется линейной зависимостью от тока разряда

(10)

По приведенным выше уравнениям может быть составлена структурная схема химического источника тока в режиме разряда, учитывающая статические свойства ИП. Но при анализе динамических свойств системы тягового электропривода появляется необходимость учета инерционности источников питания. Это объясняется тем, что тяговые электродвигатели управляются с помощью транзисторных преобразователей с высокой частотой коммутации и, несмотря на малое значение индуктивности L и электрической емкости C аккумулятора, с ростом частоты их влияние возрастает.

Эквивалентная схема замещения внутреннего сопротивления ХИТ представлена на рис. 3.

Рис. 3. Эквивалентная схема замещения внутреннего сопротивления химического источника тока

На рис. 3 обозначено: r₁ - омическое сопротивление, состоящее из сопротивлений электродов, электролита, сепараторов, межэлементных перемычек и других токоведущих элементов. Оно зависит, в основном, от степени разряженности ХИТ и температуры окружающей среды; r₂ - сопротивление поляризации, определяемое разностью концентраций электролита между электродами и в порах активной массы электродов. Оно зависит от величины тока, степени разряженности аккумулятора и температуры.

При протекании через химический источник импульсного тока появляется емкостная и индуктивная составляющие полного сопротивления. В соответствии со схемой замещения (рис. 3), а также с учетом уравнений (6) и (7) напряжение на выходе аккумуляторной батареи можно представить в виде:

при , (11)

при . (12)

Обобщенная структурная схема, составленная по этим уравнениям, приведена на рис. 4. При составлении структурной схемы не учитываются нерабочие участки разрядных характеристик, которые аппроксимируются семейством прямых С (рис. 2).

Рис. 4. Обобщенная структурная схема ХИТ

Для проверки правильности математического описания ХИТ с помощью структурной схемы, разработанной автором, рассчитаны разрядные характеристики аккумулятора при тех же значениях тока, что и на рис. 2.

Кроме того, получены зависимости полного внутреннего сопротивления от частоты. Сравнение расчетных характеристик разработанной модели с подобными экспериментальными характеристиками аккумулятора, представленными в литературе, показывает их полную идентичность.

В настоящее время транспортные средства, рассматриваемые в данной работе, источниками питания которых служат аккумуляторные батареи, являются наиболее широко применяемым видом транспорта с автономным электроснабжением, но имеют ряд известных недостатков.

Применение электрохимических конденсаторов (ионисторов), не содержащих высокотоксичных материалов, способных обеспечить высокую импульсную мощность, а также большой ресурс при повторяющихся зарядах и разрядах, рассматривается как перспективный путь решения многих задач. Поэтому важным представляется их правильное математическое описание.

Для получения структурной схемы электрохимического конденсатора воспользуемся тем же методом, который применялся при описании аккумуляторной батареи. Разрядно-зарядные характеристики электрохимического конденсатора, показанные на рис. 5 сплошными линиями, являются нелинейными. Поэтому используется кусочно-линейная аппроксимация. Нелинейные участки характеристик аппроксимируются семейством прямых L, имеющих общую точку пересечения q₀₂, U₀₂, а их линейные части в режиме разряда и заряда представлены семействами М и N с координатами точек пересечения q₀₃, U₀₂ и q₀₃, U₀₃ соответственно.

Рис. 5. Зарядно-разрядные характеристики электрохимического конденсатора

Аналитически эти прямые могут быть описаны уравнениями аналогичными (6) и (7), но в отличие от ХИТ переход от семейства прямых линий L к семейству М и N осуществляется при достижении разрядной (зарядной) энергоёмкостью значений (рис. 5).

Электрохимические конденсаторы могут использоваться на электротранспорте в качестве основного или буферного источника питания и работают, в основном, в динамических режимах. Поэтому, при исследовании систем тягового электропривода необходимо учитывать полное внутреннее сопротивление конденсатора и его зависимость от условий заряда и разряда.

На основании аппроксимированных разрядных характеристик и схемы замещения суперконденсатора, которая имеет такой же вид, как и у АБ, можно записать следующие уравнения:

- при его работе в режиме разряда

при q ? q_п, (13)

при q > q_п, (14)

- при работе в режиме заряда

при q < - q_п. (15)

По зависимостям (13)… (15) составлена структурная схема электрохимического конденсатора (рис. 6), учитывающая как статические, так и динамические свойства.



Рис. 6. Структурная схема ЭХК

Для проверки правильности математического описания ЭХК по полученной структурной схеме составлена его компьютерная модель и получены зарядно-разрядные характеристики конденсатора, которые представлены на рис. 7. Из этого рисунка следует, что в математической модели учитывается падение напряжения на омическом сопротивлении и этим объясняется разрыв в статических характеристиках ЭХК. Таким образом, математическая модель максимально приближена к реальному электрохимическому конденсатору.

Кроме этого, с помощью модели ЭХК сняты частотные характеристики суперконденсатора. Сравнение с экспериментальными характеристиками, приведенными в соответствующей литературе, показывает их идентичность и говорит о правильности разработанной математической модели ЭХК.

Таким образом, данная методика может быть использована для математического описания источников питания, заданных зарядно-разрядными характеристиками.



Рис. 7. Зарядно-разрядные характеристики суперконденсатора

В четвертой главе решается задача увеличения времени межзарядного пробега автономного транспортного средства за счет установки между источником питания и полупроводниковым преобразователем, питающим тяговый электродвигатель, силового фильтра.

Функциональная схема тягового электропривода с силовым фильтром изображена на рис. 8.

Рис. 8. Функциональная схема тягового электропривода

Анализ частотного спектра случайного процесса i_а(t) указывает на наличие в спектре мощных гармоник на частотах близких к f_m = 0,5 Гц. Путем фильтрации гармоник с указанными частотами с помощью фильтра Ф можно сгладить кривую тока АБ и увеличить тем самым длительность пробега транспортного средства без подзарядки АБ.

Определение параметров передаточной функции силового фильтра целесообразнее всего проводить с использованием статистического материала, полученного при натурном эксперименте на действующем автономном транспортном средстве.

Передаточная функция фильтра определяется по минимуму среднеквадратичного отклонения между сигналом на выходе линеаризованной системы тягового привода с силовым фильтром и некоторым эталонным (желаемым) сигналом.

Как известно, оптимальная частотная функция синтезируемой САУ описывается выражением:

, (16)

где S_е(щ) - спектральная плотность сигнала ошибки; S_Uе (јщ) - взаимная спектральная плотность случайных процессов U_З(t) и е(t).

Эталонная частотная функция выбирается в зависимости от вида решаемой задачи. В общем случае она может быть произвольной, но при решении задачи фильтрации .

Поэтому частотная функция фильтра может быть найдена по уравнению:

. (17)

Спектральные плотности находятся по соответствующим корреляционным функциям с помощью формул прямого преобразования Фурье. Расчеты проводились как для некоррелированных, так и для коррелированных случайных процессов U_З(t) и М_С(t). В результате, после достаточно трудоемких преобразований были получены передаточные функции силового фильтра:

- для некоррелированных процессов

; (18)

- для коррелированных процессов

, (19)

где К_F и К_F1 - коэффициенты передачи; Т _F1,Т_М,Т_1е, Т_2е, Т_3е, Т_4е - постоянные времени фильтров.

Эти передаточные функции могут быть реализованы соответствующими четырехполюсниками.

При проектировании тяговых электроприводов, содержащих силовой фильтр, необходимо не только определить структуру и принципиальную схему фильтра, но и его параметры. При аналитическом синтезе фильтра решена задача определения структуры фильтра, которая может быть принята за основу при его проектировании. Однако, учитывая сложное нелинейное математическое описание системы тягового электропривода с силовым фильтром, получить точные значения и соотношения параметров фильтра при известных параметрах остальной части схемы аналитическим методом не представляется возможным.

Применение методов оптимального планирования экспериментов к задаче параметрической оптимизации нелинейных систем тягового электропривода позволяет свести сложное математическое описание к простой алгебраической модели, позволяющей аналитическое определение оптимального, с точки зрения выбранного критерия, сочетания параметров силового фильтра.

Объектом параметрической оптимизации является модель системы тягового электропривода электропогрузчика с силовыми фильтрами. В качестве факторов, избранных для варьирования, служат параметры силовых фильтров, а в качестве функции отклика выбран обобщенный критерий эффективности (2). Цель экспериментов - определение точки в пространстве избранных параметров системы, обеспечивающей максимальное значение обобщенного показателя качества.

Эксперименты, характеризующиеся определенным сочетанием значений параметров системы в соответствии с матрицей планирования, реализуются с помощью компьютерной модели. Результатом каждого эксперимента является соответствующее данному сочетанию параметров значение времени межзарядного пробега. В итоге получено оптимальное соотношение параметров силовых фильтров.

Для проверки результатов синтеза было проведено математическое моделирование системы тягового электропривода, которое показало, что применение силового фильтра в составе энергоустановки снижает амплитуду колебаний тока АБ в 10 раз.

Исследованиями установлено, что при слабой коррелированности случайных процессов управляющего и возмущающего воздействий можно проводить аналитический синтез силового фильтра без учета коррелированности указанных процессов, а затем улучшить показатели системы путем уточнения значений элементов фильтра при параметрическом синтезе.

В пятой главе рассмотрены некоторые аспекты проектирования комбинированных энергоустановок автономных транспортных средств. Проводится расчет и выбор основного оборудования КЭУ с использованием статистических методов. Предложена методика уточненного расчета элементов энергоустановки с учетом изменения их КПД.

Как указывалось ранее, одной из важных проблем, решаемых при создании или модернизации аккумуляторных транспортных средств, является увеличение времени пробега без дополнительной подзарядки аккумуляторной батареи. Одним из способов решения этой проблемы является применение комбинированной энергоустановки (КЭУ), в состав которой входят: основной источник питания, преобразователь, тяговый электродвигатель, буферный источник питания (БИП) и его преобразователь. В схеме предусмотрены обратные связи по току тягового электродвигателя и источника питания.

Для пояснения принципа работы КЭУ рассмотрим график движения транспортного средства (ТС), полученный в результате эксперимента (рис. 9).

Рис. 9. График движения ТС: Р_ип - мощность, отдаваемая ИП;

Р_ип.н. - номинальная мощность ИП; А_разр - энергия, отдаваемая БИП;

А_зар - энергия, потребляемая БИП для подзарядки

При разгонах транспортного средства пики нагрузки сглаживаются за счет разряда, а при торможении - за счет заряда буферного источника питания. Таким образом, избыток и недостаток энергии покрывается за счет БИП и, тем самым, происходит стабилизация мощности и тока источника питания, увеличивается время межзарядного пробега.

Так как процесс движения автономного транспорта носит случайный характер, то выбор мощности и энергоемкости элементов КЭУ проводится на основе анализа случайного процесса Р_ип (t), который получен при обработке экспериментальных характеристик.

При этом важным является знание закона распределения случайного процесса мощности источника питания. Расчеты показали, что с доверительной вероятностью 0,95 случайный процесс мощности источника питания P_ип(t) имеет нормальный закон распределения.

Для предварительного расчета мощности и энергоемкости элементов КЭУ предлагается методика их выбора без учета КПД. При этом рассчитывается

(20) (21)

При определяется установленная мощность источника питания P_ип.н., которая является основой для оценки мощности и энергоемкости буферного источника питания.

Мощность БИП

(22)

Для расчета энергоемкости БИП строится гистограмма распределения f(A) и функция распределения F (A) случайного процесса А_БИП(t). Расчеты, проведенные в работе, показали, что случайный процесс A_БИП(t) имеет нормальный закон распределения. Если в любой момент времени количество энергии, запасенной в БИП, должно находиться в интервале [A_БИП.min., A_БИП.max.], то энергоемкость ее, равная A_БИП.max. - A_БИП.min., может быть определена как А_БИП [F_0.95] - А_БИП [F _0.05].

Для уточненного выбора мощности и энергоемкости основных элементов КЭУ следует учесть их КПД, который изменяется в довольно широких пределах. Рассмотрим методику расчета мощности и энергоемкости элементов комбинированной энергетической установки. Для оценки энергетических характеристик элементов КЭУ необходимо проанализировать прохождение потоков энергии с учетом заряда БИП в период пауз и малых значений Р_д, а также при рекуперации энергии системой тягового электропривода с учетом различия потерь энергии при изменении величины и направления ее потоков в системе.

Если m_р - оценка математического ожидания процесса Р_ип(t), то мощность источника питания может быть записана так

, (23)

где - КПД передачи энергии от источника питания к нагрузке.

Область изменения функции Р_ип(t) может быть разбита на две подобласти:

(24)

Если средняя мощность нагрузки обеспечивается мощностью ИП, то избыточная по сравнению со средней мощность нагрузки обеспечивается БИП. Следовательно, при мощность, отдаваемая БИП, с учетом КПД:

, (25)

где - КПД преобразования энергии буферным источником питания.

При условии мощность, потребляемая БИП, может быть определена как

. (26)

Необходимая мощность ИП определяется методом последовательных приближений. По реализации находится оценка математического ожидания и по формулам (25), (26) рассчитывается . По полученной реализации определяется оценка математического ожидания , относительно которого вновь деформируется зависимость , затем находится процесса и т.д. Как доказано в работе, последовательность сходится к некоторому значению . Процесс расчета продолжается до тех пор, пока не будет выполнено неравенство

, (27)

где - заданная точность расчета; , - оценки математических ожиданий двух соседних приближений.

Значение представляет собой искомую мощность источника питания, обеспечивающую равенство отдаваемой и запасенной энергии буферного источника питания на интервале Т реализации .

Энергоемкость буферного источника питания находится аналогично изложенному выше. Анализ расчетов показывает, что при учете КПД элементов КЭУ значение мощности и энергоемкости уточняется на 10-20%.

При проектировании систем тягового электропривода следует рассмотреть возможность применения различных технических устройств в качестве основного и буферного источников питания.

В автономных транспортных средствах, рассматриваемых в работе, основным источником питания является, как правило, аккумуляторная батарея. Данный вид электротранспорта имеет целый ряд существенных недостатков, о которых говорилось ранее. Поэтому и в нашей стране, и за рубежом идет постоянный поиск альтернативных источников и способов рационального управления ими.

В связи с этим, представляет интерес проблема использования электрохимических конденсаторов в качестве основного источника питания и изучение особенностей, возникающих при этом. При замене АБ в том же объеме можно разместить 6 конденсаторных модулей, соединенных параллельно.