Методы и средства повышения эффективности систем тягового электропривода автономных транспортных средств

Использование сборки из конденсаторных модулей в качестве основного источника энергии позволит эксплуатировать автономное транспортное средство непрерывно в течение 1-го часа со скоростью 8-10 км/ч с последующей остановкой в течение 10-15 мин для подзарядки.

Эти расчеты проводились при номинальной нагрузке и равномерном движении с номинальной скоростью. Кроме того, рассчитаны переходные процессы при реальной нагрузке на тяговый электропривод с использованием рассмотренного ранее блока внешних воздействий.

При исследовании переходных процессов было определено время межзарядного пробега транспортного средства с помощью функционала, предложенного автором, которое составило, с учетом рекуперации энергии в ЭХК в тормозных режимах, 1 час 12 мин.

Эксплуатация автономных ТС с электрохимическими конденсаторами в качестве основного источника питания позволит уменьшить парк ТС, по сравнению с существующими системами, более чем в 2 раза.

Для увеличения времени межзарядного пробега и улучшения системы тягового электропривода в работе предлагается методика выбора коэффициента усиления обратной связи по току двигателя по минимуму энергии, потребляемой от источника питания, основанная на учете кинетической энергии движущихся масс тягового электропривода.

Коэффициент обратной связи по току выбирается так, чтобы жесткость электромеханической характеристики замкнутой системы позволяла наилучшим образом использовать запасенную в маховых массах транспортного средства кинетическую энергию. При выборе коэффициента усиления рассчитываются зависимости энергии, требующейся на разгон ТС и потерь энергии при пуске (рис. 10), из анализа которых очевидно наличие минимума суммарных затрат энергии на разгон , где щ₀ и M_дк - фиктивная частота вращения и момент короткого замыкания, полученные при линеаризации статической характеристики привода.

Рис. 10. Определение оптимального значения щ₀/M_дк

Так как отношение определяет наклон механической характеристики, то легко находится коэффициент усиления обратной связи по току.

Поскольку кривая не имеет резко выраженного экстремума, то увеличение отношения , вызванное разряженностью АБ, не приведет к большому увеличению суммарных затрат энергии на разгон транспортного средства.

При разработке экономичного тягового электропривода автономного транспортного средства следует рассмотреть возможность применения буферного источника питания в составе энергетической установки и исследовать его влияние на динамические свойства системы управления.

Составлено математическое описание системы тягового электропривода с БИП и рассчитаны переходные процессы.

Анализ динамических процессов показывает, что установка буферного источника питания уменьшает амплитуду колебаний тока аккумуляторной батареи в 8 раз. Таким образом, применение БИП стабилизирует ток АБ и, тем самым, увеличивает время межзарядного пробега транспортного средства, что свидетельствует о целесообразности его использования в тяговых электроприводах.

Для дальнейшего увеличения времени межзарядного пробега можно включить в состав энергоустановки, помимо буферного источника питания, еще и силовой фильтр.

Разработана компьютерная модель электропривода, с помощью которой рассчитывались переходные процессы в рассматриваемой системе при случайно изменяющейся нагрузке на тяговой электропривод. При составлении модели использовались разработанные ранее макро-блоки внешних воздействий, источников питания и др.

Одновременно проводилась оценка времени межзарядного пробега с помощью функционала, предложенного автором. Реализация поставленной задачи выполнена в программной среде ИСМА с использованием структурно-текстовой спецификации моделей. Анализ переходных процессов показывает, что происходит значительное сглаживание тока АБ и в результате время пробега возрастает более чем на 37%.

Таким образом, показана целесообразность использования электрохимических конденсаторов в составе силового фильтра и в качестве буферного источника питания.

Шестая глава посвящена анализу особенностей использования методов и средств, предложенных автором в предыдущих главах, в электроприводах переменного тока.

Компании всего мира пытаются создать технику, которую можно эксплуатировать наиболее рационально и с наименьшими затратами в любых, даже самых сложных условиях. Постоянный поиск прогрессивных технических решений и разработка новых видов продукции позволяют внедрять самые сложные технологии. Одним из наиболее перспективных технических решений, которые в последние годы успешно внедряются, является применение привода переменного тока во многих отраслях промышленности, в том числе и на электротранспорте.

При любом способе управления тяговым электродвигателем дальнейшее увеличение времени пробега ТС возможно, например, за счет использования силового фильтра, схема включения которого приведена на рис. 11.

Рис. 11. Схема управления тяговым асинхронным двигателем

На схеме (рис. 11) обозначены: АБ - аккумуляторная батарея; Ф - силовой фильтр; АИ - автономный инвертор; СУ - система управления; ТТ - трансформатор тока; ТАД - тяговый асинхронный электродвигатель.

Синтез силового фильтра затруднен сложностью математического описания тягового электропривода переменного тока.

Представляет интерес исследование динамических характеристик привода переменного тока с силовым фильтром, синтезированным для электропривода постоянного тока той же мощности.

Анализ переходных процессов в системе с силовым фильтром показывает, что амплитуда колебаний тока аккумуляторной батареи в электроприводе переменного тока выше, чем в приводе постоянного тока на 20% и поэтому, используя параметрический синтез, следует уточнить параметры фильтра.

В результате параметрического синтеза, проведенного аналогично с тем, как это делалось для электропривода постоянного тока, удалось получить оптимальное соотношение параметров фильтра.

Расчет переходных процессов в системе тягового электропривода переменного тока с силовым фильтром показал, что в результате параметрической оптимизации удалось снизить амплитуду тока АБ на 7% по сравнению с процессами до оптимизации.

Исследованиями, проведенными в работе, установлено, что при выборе структуры силового фильтра в тяговом электроприводе переменного тока можно воспользоваться более простой методикой, использованной в приводах постоянного тока, и уточнить параметры фильтра при параметрическом синтезе.

Для перевозки груза на фиксированные расстояния используются транспортные средства, тяговые электродвигатели которых получают питание от стационарных преобразователей через длинный кабель (например, в обжиговых печах кирпичных заводов). При этом ТС становятся более компактными, легко управляемыми, отсутствуют проблемы связанные с эксплуатацией аккумуляторных батарей, но возникает ряд проблем из-за дискретного характера работы частотных преобразователей. Эти проблемы обусловлены электромагнитной совместимостью преобразователей частоты с питающей сетью и тяговым двигателем.

Высшие гармоники, присутствующие в токе и напряжении преобразователя частоты с ШИМ, приводят к возникновению волновых процессов в кабеле, соединяющем преобразователь и асинхронный двигатель.

Эти процессы вызывают резкое повышение питающего напряжения, приводящего к выходу из строя как асинхронного двигателя, так и подводящего кабеля.

Перенапряжения возникают в результате прохождения через кабель высокочастотной гармонической составляющей выходного напряжения (импульсного сигнала с крутым фронтом). Это вызывает отраженную волну напряжения, приблизительно равную по величине и знаку исходному напряжению. В результате суммарная амплитуда напряжения удваивается и прикладывается к зажимам двигателя. Амплитуда отраженной волны напряжения зависит от длины подводящего кабеля и длительности фронта импульса напряжения инвертора.

Для согласования волновых сопротивлений линии и асинхронного двигателя проанализированы процессы возникновения и распространения волн тока и напряжения в кабеле, соединяющем автономный инвертор и асинхронный двигатель. Показана природа возникновения указанных колебаний.

Рассмотрено влияние параметров кабеля и его длины на величину перенапряжений, получены зависимости величины перенапряжения от длины кабеля при различных значениях крутизны фронта импульса напряжения ф. Их анализ показывает, что при увеличении длины кабеля величина перенапряжения возрастает. Так при длине кабеля в 15 м и ф = 50 нс возникает двойное перенапряжение. При уменьшении длительности фронта импульса величина перенапряжения снижается.

Для согласования волнового сопротивления кабеля и сопротивлений двигателя или инвертора проще всего использовать силовой фильтр.

Проблема синтеза фильтра заключается в том, что на практике выражение для напряжения на входе двигателя зависит от многих факторов, в том числе, от параметров применяемого фильтра, конфигурации фильтра, параметров распределенной линии, модели нагрузки (двигателя), а также от применяемого инвертора (способа управления, фильтра на входе инвертора и параметров силовых ключей). Так как рассматриваемая система является существенно нелинейной, то ее аналитические исследования, даже в общем виде, дадут неадекватные результаты. Поэтому в работе используется метод компьютерного моделирования.

В разработанной модели системы предусмотрена возможность задания длительности фронтов IGBT, частоты коммутации, выходной частоты и параметров двигателя. Кроме того, задаются активные, индуктивные и емкостные параметры линии, а также ее длина.

Проводилось моделирование системы частотного управления асинхронным электродвигателем средней мощности (P = 5,5 кВт) с подводящим кабелем различной длины (l₁ = 10 м и l₂ = 100 м) как без фильтра, так и с RLC-фильтром, предназначенным для согласования волнового сопротивления кабеля Z_C с входным сопротивлением нагрузки Z_Н.

Анализ переходных процессов показал, что установка силового фильтра практически полностью устраняет перенапряжение на двигателе, что говорит о целесообразности его использования в приводах рассматриваемого класса.

Заключение содержит основные результаты по теоретической и практической разработке методов и средств повышения эффективности функционирования автономного электротранспорта, способов увеличения времени их межзарядного пробега, которые состоят в следующем:

1. Разработан обобщенный критерий эффективности, в качестве которого для рассматриваемого в работе класса автономных транспортных средств выбрано время межзарядного пробега. Этот критерий используется при проектировании и исследовании систем тягового электропривода, а также для сравнительной оценки различных приводов, устанавливаемых на автономном электротранспорте, в соответствии с предложенным алгоритмом расчета.

2. Теоретическими и экспериментальными исследованиями доказано, что разряд аккумуляторной батареи неизменным во времени током является более благоприятным с точки зрения улучшения ее эксплуатационных свойств, чем разряд пиковым током. Поэтому стабилизация тока АБ уменьшит потери энергии в источнике питания и, в конечном итоге, приведет к увеличению времени межзарядного пробега автономных транспортных средств.

3. На основании обработки статистического материала, полученного автором при натурном эксперименте, выявлены основные закономерности движения транспортных средств в реальных условиях эксплуатации, разработана компьютерная модель блока внешних воздействий, которая позволяет реализовывать вероятностные испытательные циклы различной длительности. Это дает возможность методом структурного моделирования провести сравнительную оценку различных систем в условиях эксплуатации, максимально приближенных к реальным.

4. Разработан единый методологический подход к математическому описанию различных источников питания, заданных разрядно-зарядными характеристиками, позволяющий получить обобщенные структурные схемы и компьютерные модели указанных источников для использования в любой прикладной программе при исследовании как быстрых движений, связанных с переходными процессами в элементах электропривода, так и медленных движений, обусловленных процессами разряда источников.

5. Доказана целесообразность применения силовых фильтров и буферных источников питания для сглаживания тока АБ в системах тягового электропривода постоянного и переменного тока, что увеличивает время межзарядного пробега автономных ТС при резко переменном характере нагрузки. Использование в составе энергоустановки электрохимических конденсаторов (ионисторов) уменьшает габариты и улучшает управляемость КЭУ.

6. Предложенная методика расчета мощности и энергоемкости элементов КЭУ и коэффициента усиления обратной связи по току тягового электродвигателя, обеспечивающая минимум потребления энергии от источника питания, позволяет наиболее точно выбрать элементы силовой части энергоустановки.

7. Показано, что с применением нового вида электротранспорта с бесконтактным подводом энергии не исчезают проблемы, связанные с увеличением времени межзарядного пробега, перенапряжением в длинном кабеле, актуальными остаются вопросы энергосбережения, которые решаются методами и средствами, предложенными в работе. Решение этих проблем может стать предметом дальнейших исследований.

8. Материалы диссертации внедрены в ходе выполнения госбюджетных и хоздоговорных НИР по заказам предприятий и организаций, связанных с разработкой и модернизацией импульсных тяговых электроприводов. Внедрение на автономном электрическом транспорте новых способов управления способствует дальнейшему совершенствованию технологических процессов и энергосбережению. С помощью алгоритмов, моделирующих действия транспортных средств, совершенствуются методы анализа, синтеза и сравнительной оценки разрабатываемых систем тягового привода.

Все это в совокупности является решением комплексной и актуальной научно-технической проблемы, обеспечивающей высокоэффективное использование электрической энергии в системах тягового электропривода автономных транспортных средств.

Основные работы, опубликованные по теме диссертации

1. Аносов В.Н. Обобщенная структурная схема химического источника тока, как элемента системы управления / В.Н. Аносов // Автоматизация производственных процессов: межвуз. сб. научн. тр. - Новосибирск: Изд-во НЭТИ, 1975. - Вып. 12. - С. 166-170.

2. Аносов В.Н. Структурная схема источника тока, как элемента системы регулирования в режиме рекуперации энергии / В.Н. Аносов // Автоматизация производственных процессов: межвуз. сб. научн. тр. - Новосибирск: Изд-во НЭТИ, 1976. - Вып. 13. - С. 112-118.

3. Аносов В.Н. Исследование устойчивости импульсной системы / В.Н. Аносов // Автоматизация производственных процессов: межвуз. сб. научн. тр. - Новосибирск: Изд-во НЭТИ, 1977. - Вып. 14. - С. 108-114.

4. Аносов В.Н. Разработка регулятора, обеспечивающего минимум потерь в автономном электроприводе по системе ШИП-Д / В.Н. Аносов // Автоматизированные электромеханические системы: межвуз. сб. науч. тр. - Новосибирск: Изд-во НЭТИ, 1980. - С. 133-139.

5. Аносов В.Н. Результаты экспериментального исследования тягового привода электропогрузчика / В.Н. Аносов, В.М. Кавешников // Системы и устройства электромеханики: межвуз. сб. научн. тр. - Новосибирск: Изд-во НЭТИ, 1981. - С. 147-153.

6. Аносов В.Н. Оптимизация систем тягового привода автономных транспортных средств с комбинированной энергоустановкой / В.Н. Аносов, В.Р. Бомко, В.М. Кавешников // Автоматизированный электропривод: межвуз. сб. науч. тр. - Новосибирск: Изд-во НЭТИ, 1984. - С. 75-82.

7. Аносов В.Н. Динамические свойства тягового привода с комбинированной энергоустановкой / В.Н. Аносов, В.М. Кавешников // Автоматизированный электропривод промышленных установок: межвуз. сб. научн. тр. - Новосибирск: Изд-во НЭТИ, 1986. - С. 53-57.

8. Аносов В.Н. Исследование устойчивости системы тягового электропривода с КЭУ / В.Н. Аносов, В.М. Кавешников, В.Т. Сысенко // Автоматизированные электромеханические системы: межвуз. сб. научн. тр. - Новосибирск: Изд-во НЭТИ, 1987. - С. 96-101.

9. Аносов В.Н. К синтезу статических характеристик электропривода электропогрузчиков / В.Н. Аносов, В.М. Кавешников, М.Г. Калюжный // Автоматизированный электропривод промышленных установок: межвуз. сб. научн. тр. - Новосибирск: Изд-во НЭТИ, 1989. - С. 53-57.

10. Аносов В.Н. О выборе основных параметров элементов силовой части комбинированной энергоустановки / В.Н. Аносов, В.М. Кавешников // Автоматизированные электромеханические системы: межвуз. сб. научн. тр. - Новосибирск: Изд-во НЭТИ, 1991. - С. 89-93.

11. Аносов В.Н. Особенности анализа системы тягового электропривода при случайных изменениях нагрузки / В.Н. Аносов, В.А. Гуревич, В.М. Кавешников // Автоматизированные электромеханические системы: межвуз. сб. научн. тр. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1997. - С. 105-109.

12. Аносов В.Н. Фильтрация тока аккумуляторной батареи автономных транспортных средств / В.Н. Аносов, В.А. Гуревич, В.М. Кавешников, В.Т. Сысенко // Экологически перспективные системы и технологии: межвуз. сб. научн. тр. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1998. - С. 136-140.

13. Аносов В.Н. Сравнительный анализ некоторых сглаживающих фильтров с магнитосвязанными контурами / В.Н. Аносов, В.А. Гуревич, В.М. Кавешников // Совершенствование технических средств электрического транспорта: сб. научн. тр. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. - С. 70 - 76.

14. Аносов В.Н. Исследование Г-образного силового фильтра в системе тягового электропривода / В.Н. Аносов, В.А. Гуревич, В.М. Кавешников // Автоматизированные электромеханические системы: сб. научн. тр. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. - С. 58-61.

15. Аносов В.Н. Синтез оптимального силового фильтра в системе тягового электропривода / В.Н. Аносов, В.А. Гуревич, В.М. Кавешников // Электротехника. - 2003. - №9. - С. 30-34.

16. Аносов В.Н. Пути повышения энергетической эффективности автономных транспортных средств / В.Н. Аносов, В.М. Кавешников, Д.В. Кавешникова // Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития: тр. IV Междунар. (XV Всероссийской) конф. по автоматизированному электроприводу ч. II. - Магнитогорск: Изд-во МГТУ, 2004. - С. 280-281.

17. Аносов В.Н. Абсолютная устойчивость состояния равновесия систем с мультипликативной нелинейностью / В.Н. Аносов, В.М. Кавешников, К.В. Гребенщиков // Автоматизированные электромеханические системы: коллективная монография / Под ред. В.Н. Аносова. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - С. 25-30.

18. Аносов В.Н. Влияние выходных фильтров в частотно-регулируемых асинхронных электроприводах / В.Н. Аносов, В.А. Гуревич, В.М. Кавешников // Электроприводы переменного тока - ЭППТ-05: тр. междунар. тринадцатой научно-техн. конф. - Екатеринбург: Изд-во Ур.ГТУ, 2005. - С. 69-72.

19. Аносов В.Н. Характеристики управляющих воздействий тягового электропривода автономного напольного транспортного средства / В.Н. Аносов, В.М. Кавешников, Ю.В. Шорников // Научный вестник НГТУ. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. - №3 (21). - С. 1-7.

20. Аносов В.Н. Математическая модель аккумуляторной батареи как элемента САУ транспортного средства / В.Н. Аносов, Ю.В. Шорников // Научный вестник НГТУ. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. - №3 (21). - С. 37-44.

21. Anosov V.N. Elaboration of external influences blok for comparative estimation of autonomous traction electrodrives / V.N. Anosov, V.M. Kaveshnikov, I.V. Aksutin // Proceedings of The 9^th Russian-Korean International Simposium on Science and Technology. Vol. 1. - Novosibirsk, Russia, NSTU, 2005. - P. 307-309 [Разработка блока внешних воздействий для сравнительной оценки автономных тяговых электроприводов].

22. Аносов В.Н. Выбор обобщенного критерия эффективности для сравнительной оценки автономных транспортных средств / В.Н. Аносов, В.М. Кавешников, И.В. Аксютин, А.В. Гуревич // Электротехника, электромеханика и электротехнологии. ЭЭЭ-2005: материалы второй научно-техн. конф. с международным участием. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005. - С. 65-66.

23. Аносов В.Н. К расчету параметров ионисторов как буферных источников питания / В.Н. Аносов // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2006. - №3. - С. 92-95.

24. Аносов В.Н. Расчет критерия эффективности при сравнительной оценке систем управления в ИСМА / В.Н. Аносов, В.М. Кавешников, Ю.В. Шорников // Компьютерное моделирование 2006: тр. междунар. научно-техн. конф. - С-Пб: Изд-во Политехнического университета, 2006. - С. 36-40.

25. Anosov V.N. Dynamic Behavior of Elektro-chemical Capacitor as Buffer-Store / V.N. Anosov, V.M. Kaveshnikov, A.V. Orel // Proceeding of The 1^st International Forum On Strategic Technology «e-Vehicle Technology» IFOST 2006. - Ulsan, Korea, 2006. - P. 396-398 [Динамические характеристики электрохимического конденсатора, как буферного источника питания].

26. Аносов В.Н. Структурная схема электрохимического конденсатора / В.Н. Аносов // Омский научный вестник. - 2006. - №8 (44). - С. 120-123.

27. Аносов В.Н. Сравнение систем тягового электропривода автономных транспортных средств / В.Н. Аносов, М.А. Слепцов // Вестник Московского энергетического института. - 2007. - №4. - С. 66-71.

28. Аносов В.Н. Использование программных средств ИСМА при синтезе силовых низкочастотных фильтров / В.Н. Аносов, Ю.В. Шорников // Компьютерное моделирование 2007: тр. междунар. научно-техн. конф. - С-Пб: Изд-во Политехнического университета, 2007. - С. 135-142.

29. Аносов В.Н. Использование силовых фильтров для увеличения времени межзарядного пробега автономных транспортных средств / В.Н. Аносов // Электричество. - 2007. - №8. - С. 2-7.

30. Аносов В.Н. Параметрическая оптимизация силового фильтра в тяговом электроприводе автономного транспортного средства / В.Н. Аносов, А.С. Востриков, В.М. Кавешников // Электричество. - 2007. - №8. - С. 8 - 12.

31. Аносов В.Н. Использование электрохимического конденсатора в качестве основного источника питания в тяговом электроприводе автономных транспортных средств / В.Н. Аносов // Труды V Междунар. (XVI Всероссийской) конф. по автоматизированному электроприводу АЭП - 2007. - С-Пб.: Изд-во С-ПбГ ПУ, 2007. - С. 488-490.

32. Аносов В.Н. Динамическая модель тяговой аккумуляторной батареи автономного транспортного средства / В.Н. Аносов // Электротехника. - 2007. - №9. - С. 41-44.

33. Кавешников В.М. Применение электрохимических конденсаторов в качестве буферных источников питания автономных транспортных средств / В.М. Кавешников, В.Н. Аносов, А.В. Орел // Электротехника. - 2007. - №9. - С. 44-47.

34. Anosov V.N. Dynamic Investigation of Traction Electrodrive Systems with Combined Power Source / V.N. Anosov, P.S. Belokopytova // Proceedings of The Second International Forum on Strategic Technology IFOST 2007. - Ulaanbaatar, Mongolia. - P. 368-370 [Исследование динамики системы тягового электропривода с комбинированной энергоустановкой].

35. Аносов В.Н. Способы увеличения времени межзарядного пробега автономного транспортного средства / В.Н. Аносов, В.М. Кавешников, А.В. Орел // Электротехника, электромеханика и электротехнологии ЭЭЭ - 2007: материалы третьей научно-техн. конф. с междунар. участием. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. - С. 58-62.

36. Аносов В.Н. Обобщенный критерий эффективности для синтеза систем тягового электропривода автономных транспортных средств / В.Н. Аносов, А.С. Востриков // Транспорт: наука, техника, управление. - 2008. - №6. - С. 4-5.

37. Аносов В.Н. Синтез силового фильтра в тяговом электроприводе переменного тока / В.Н. Аносов // Транспорт: наука, техника, управление. -2008. - №6. - С. 12-15.

38. Аносов В.Н. Анализ изменения разрядной емкости тяговой аккумуляторной батареи / В.Н. Аносов, В.М. Кавешников, А.В. Орёл // Транспорт: наука, техника, управление. - 2008. - №6. - С. 33- №6. - С. 33-36.

Размещено на Allbest.ru