Инерционные накопители энергии в системах тягового электроснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Инерционные накопители энергии в системах тягового электроснабжения

Затраты на электроэнергию, потребляемую на тягу поездов, составляют ощутимую долю в общих эксплуатационных расходах железных дорог. Одним из путей их снижения является возврат электроэнергии в сеть при рекуперативном торможении. Расчеты показывают, что при таком торможении пригородный электропоезд может отдавать в сеть до 40 % потребленной им энергии. Одновременно существенно снижается механический износ тормозных устройств.

В традиционных системах тягового электроснабжения с подстанциями, оборудованными нерегулируемыми выпрямителями, возможность использования энергии рекуперации определяется, а иногда и ограничивается следующими факторами:

· конструктивными особенностями подвижного состава-- его массой, вспомогательным оборудованием, устройствами обеспечения комфорта, КПД привода, наличием рекуперативного тормоза, максимальным напряжением на тяговом двигателе при рекуперации;

· наличием в зоне рекуперирующего поезда другого электроподвижного состава;

· максимальной скоростью поезда и параметрами пути, по которому он следует, а именно радиусами кривых, уклонами, наличием тоннелей;

· расстоянием между остановочными пунктами;

· параметрами контактной сети, в частности, протяженностью фидерных зон, удельным (на 1 км) сопротивлением подвески, наличием пунктов параллельного соединения;

· разностью напряжений рекуперации и на шинах подстанции.

Исследования недельного графика расхода энергии показали, что в системах пригородного сообщения в среднем до 70 % энергии рекуперации используется другими поездами, а остальные 30 % теряются бесполезно.

Для того чтобы рекуперируемую энергию можно было использовать полностью, разработаны тяговые подстанции, оборудованные специальными статическими преобразователями. Последние способны возвращать избыток рекуперируемой энергии в трехфазную сеть первичного электроснабжения, которая всегда готова к ее потреблению.

Однако следует помнить, что оснащение подстанций этими преобразователями требует значительных дополнительных затрат, а экономический эффект от их использования в значительной степени зависит от тарифной политики поставщиков электроэнергии.

Лучшего использования энергии рекуперации и более высокого экономического эффекта можно добиться в системах пригородного сообщения, применив накопители энергии.

энергия рекуперация система пригородный сообщение

Преимущества накопителей энергии

Правильно выбранные накопители способны полностью поглощать поступающую энергию рекуперации и затем снова отдавать ее в тяговую сеть. Их можно устанавливать как на тяговой подстанции, подключая параллельно питающему выпрямителю, так и в любом месте на линии.

С помощью одного накопителя в зависимости от места его расположения, а также от способа заряда и разряда можно обеспечить:

· снижение расходов на электроэнергию, потребляемую из внешней сети;

· уменьшение затрат на техническое содержание подвижного состава вследствие снижения механического износа при торможении;

· сокращение капитальных вложений в результате снижения установленных мощностей тяговых подстанций, увеличения расстояний между ними или даже уменьшения их числа;

· оптимизацию системы тягового электроснабжения постоянного тока без значительного переоборудования ее устройств;

· постоянный уровень напряжения в контактной сети, особенно на участках с консольной схемой питания;

· аварийное питание, например, для вывода поездов с участка в случае выхода из строя всей системы тягового электроснабжения;

· уменьшение нагрева тоннелей.

Сокращение потребления первичной энергии, приводящее к снижению выбросов в атмосферу углекислого газа, является также важным экологическим фактором.

Потенциал экономии

На примере двухпутной городской железной дороги с режимом эксплуатации средней интенсивности рассмотрена возможность экономии, определяемой более полным использованием энергии рекуперации в результате применения накопителей энергии.

На рассматриваемой линии наибольшая нагрузка при интервале следования поездов 90 с бывает в течение 8ч, в течение 12ч при интервале следования поездов в среднем 240 с нагрузка низкая, в оставшиеся 4ч на линии перерыв в движении поездов.

В момент трогания поезд городской железной дороги потребляет ток около 4500 А при номинальном напряжении в контактной сети 780 В. Несложный расчет показывает, что при среднем токе продолжительного режима 625А и напряжении 750В общее потребление энергии за год (8760ч) составляет 4ГВт·ч.

В традиционных системах тягового электроснабжения в зависимости от параметров трассы, графика движения и парка подвижного состава дополнительно может накапливаться и снова использоваться от 4 до 15 % энергии, затрачиваемой на тягу.

Иными словами, применение накопителей обеспечивает именно такой размер экономии энергии. Результаты расчета были подтверждены измерениями. Таким образом, в рассмотренном примере промежуточное накопление энергии позволяет экономить от 150 до 600МВт·ч в год. При ее средней стоимости от 0,08 до 0,15 нем. марок/кВт·ч это составляет экономию от 12тыс. до 90 тыс. марок.

Определение параметров

Требуемые значения энергоемкости и мощности накопителя могут быть определены на конкретном примере для линии с напряжением в контактной сети 780В постоянного тока. Поезда массой 50т идут с минимальным интервалом 90с и затрачивают одинаковое время (от 10 до 30с) на разгон до максимальной скорости 50- 80 км/ч и торможение.

Для этих условий энергоемкость накопителя должна быть рассчитана на величину энергии, выделяемой в течение двух рекуперативных торможений со скорости 80 км/ч, т.е. 7кВт·ч.

Так как накопитель должен быть способен отдавать энергию в любой момент времени, его минимальная энергоемкость должна быть не ниже 4кВт·ч, а максимальная - около 10 кВт·ч. При этом максимальная мощность приблизительно равна 0,6МВт. Однако теоретически одновременно может происходить торможение или разгон двух поездов, поэтому мощность накопителя следует увеличить до 1МВт.

К накопителю энергии в системах пригородного сообщения предъявляют следующие принципиальные требования: высокие значения КПД, удельной энергии и мощности, максимальная надежность, хорошая регулируемость, низкие капитальные и эксплуатационные затраты.

Безусловно, существенным параметром для выбора накопителя является число возможных зарядов и разрядов: например, в системе тягового электроснабжения пригородной сети может быть не менее 200 таких циклов в сутки. Если принять срок эксплуатации накопителя равным 20 годам, он должен выдерживать 10⁷ циклов без снижения мощности.

Разновидности накопителей

Известны следующие разновидности накопителей: аккумуляторные, сверхпроводящие и инерционные. Аккумуляторный накопитель. В качестве накопителей можно использовать батареи свинцовых и никель-кадмиевых аккумуляторов. Другие типы аккумуляторов не могут быть использованы из-за неудовлетворительных экономических показателей.

Высокую кратковременную мощность можно получить только при очень большой емкости батареи аккумуляторов, что обусловливает большие размеры и массу накопителя. К другим недостаткам аккумуляторных батарей относятся невысокая циклическая стабильность и, следовательно, ограниченный срок службы, а также наличие в них кислоты, свинца, кадмия и других экологически опасных материалов.

По этим причинам аккумуляторные батареи, вероятно, не найдут применения в качестве накопителей энергии для систем тягового электроснабжения.

Сверхпроводящий накопитель

Речь идет о современном принципе накопления энергии с помощью сверхпроводящих электромагнитов. Такие накопители используют в настоящее время только в сложной медицинской аппаратуре и в системах, где необходимо бесперебойное электроснабжение. Пригодность накопителей на сверхпроводящих катушках для работы в условиях городских и пригородных железных дорог представляется проблематичной.

Инерционный накопитель

Первые публикации о применении инерционных накопителей, или гироаккумуляторов, появились еще в 1992 г. С тех пор значительно возросла прочность материалов, из которых их изготавливают, что позволяет при большой частоте вращения накапливать значительное количество энергии в небольшой массе. На периферии маховика возникают слишком большие для традиционных материалов центробежные силы, поэтому его изготавливают из композитов с армирующим углеродным волокном.

Новые силовые полупроводниковые приборы, обладающие высоким быстродействием и низкими потерями, позволили создать статические преобразователи для привода скоростных электрических машин, работающих в чередующемся двигательно-генераторном режиме и являющихся звеном преобразования накапливаемой энергии.

Прогресс в области магнитных, а также сверхпроводящих материалов для электромагнитов позволил создать "магнитные подшипники" без трения для быстро вращающихся масс (в данном случае ротора и маховика), не требующие технического обслуживания в течение долгого времени.

Учитывая изложенное, можно сделать вывод, что инерционные аккумуляторы энергии в наибольшей степени отвечают требованиям, предъявляемым к накопителям системой тягового электроснабжения пригородных линий.

Конструкция и регулирование инерционных накопителей

В настоящее время уже существуют такие накопители приемлемых размеров. В них применено вращающееся в вакууме маховое колесо из материала, армированного углеродным волокном. На вал маховика насажен ротор электрической машины.

У накопителя предусмотрены выводы для подключения статического преобразователя, системы водяного охлаждения и вакуумного насоса.

Электрическая синхронная машина имеет внутренний статор, размещенный в вакууме и рассчитанный на напряжение от 300 до 940 В, и наружный с возбуждением на постоянных магнитах. Маховик и ротор размещены в общем защитном корпусе.

Статический преобразователь обеспечивает прием и отдачу энергии при полном использовании полезного диапазона частоты вращения, соответствующего интервалу между наибольшим и наименьшим значениями энергоемкости. Напряжение промежуточного звена преобразователя согласовано с уровнем напряжения в контактной сети. КПД всей системы для полного цикла энергообмена превышает 86%.

Накопители этого типа уже в течение нескольких лет используются на грузовых автомобилях. При мощности около 200 кВт и энергоемкости 2 кВт·ч они имеют приблизительно в 5 раз меньшие габариты, чем накопители для системы тягового электроснабжения.

Алгоритм регулирования процессов разряда и заряда должен выбираться с учетом цели использования накопителя энергии. Он может применяться для стабилизации уровня напряжения в контактной сети, экономии энергии, а также для покрытия пиков нагрузки. Необходимо, чтобы система регулирования динамично реагировала на ситуацию в движении поездов, например на изменение межпоездных интервалов и т. д. Оптимум достигается в том случае, когда система учитывает максимальное число параметров и гарантирует наибольшую экономию.

Сверхъемкие электрохимические конденсаторы (суперконденсаторы).

Электрохимические конденсаторы относятся к устройствам, накопление электрической энергии в которых происходит благодаря заряду двойного электрического слоя (ДЭС). Этот слой образован поверхностью проводника и слоем прилежащих к нему ионов электролита (см. рис. 1). Двойной электрический слой можно рассматривать как конденсатор с двумя обкладками, емкость которого пропорциональна площади обкладок и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Благодаря тому, что расстояние между заряженной поверхностью проводника (из которого изготавливаются электроды) и слоем ионов очень мало (измеряется ангстремами), а величина поверхности проводника (например, активированного угля) достигает 1500...2000 м²/г, емкость угольного электрода массой 1 г может составлять 100...500 Ф.

Рис. 1. Упрощенная схема электрохимического конденсатора

Напряжение электрохимических конденсаторов (одного элемента) в большинстве случаев составляет 1,2...3 В. Оно ограничено величиной, при которой на электродах становится возможным процесс электролиза электролита (который зависит от природы электролита).

Типичная, наиболее часто применяющаяся конструкция конденсаторов с использованием двойного электрического слоя - так называемая «симметричная», в которой положительный и отрицательный электроды выполнены из одинакового материала, в большинстве случаев - активированного углерода, и имеют одинаковую емкость.

Принципиально электрохимический конденсатор представляет собой систему, состоящую из двух электродов, помещенных в электролит. В этом случае двойной электрический слой на поверхности каждого электрода является отдельным конденсатором. Между собой они соединены последовательно через проводник с ионной проводимостью (электролит).

Упрощенная эквивалентная электрическая схема такого конденсатора выглядит следующим образом:

Здесь С₁ - емкость двойного электрического слоя отрицательного электрода;

С₂ - емкость двойного электрического слоя положительного электрода;

RESR - эквивалентное последовательное сопротивление электролита и материалов электродов.

Принимая во внимание последовательное соединение емкостей, образованных двойными электрическими слоями на отрицательном и положительном электродах, емкость электрохимического конденсатора определяется из формулы:

1/C=1/C1+1/C2, тогда C=(C1*C2)/(C1+C2).

В случае симметричной конструкции, когда емкости, образованные двойными электрическими слоями обоих электродов, одинаковые, т.е. С₁ = С₂, емкость всего конденсатора С будет равна C1/2.

Таким образом, при равных массах положительного и отрицательного электродов емкость симметричного конденсатора равна половине емкости одного электрода.

Разработан ряд электрохимических конденсаторов так называемой «асимметричной» конструкции, в которых один электрод (чаще всего отрицательный) выполнен из активированного углеродного материала и является поляризуемым, а на другом электроде в процессе зарядно-разрядного цикла происходят фарадеевские процессы (неполяризуемый электрод). Обычно емкость такого положительного электрода более чем на порядок превышает емкость отрицательного при тех же размерах. Суммарная емкость конденсатора в этом случае приближается к емкости поляризуемого электрода: C=C1, т.е. увеличивается почти в два раза по сравнению с конденсатором симметричной конструкции. В ряде случаев применение «асимметричной» конструкции позволяет несколько повысить рабочее напряжение, что, с учетом квадратичной зависимости энергии от напряжения, является важным. В настоящее время в качестве электродов в суперконденсаторах используется большое количество различных материалов и их окислов с целью достижения максимальных характеристик и ресурса.

В электрохимических конденсаторах используют водные и органические электролиты. Водные электролиты более дешевые, просты в обращении, не загрязняют окружающую среду. Органические электролиты позволяют увеличить рабочее напряжение конденсатора и, соответственно, удельную запасаемую энергию, однако являются дорогими, сложными при использовании в процессе производства, часто небезопасными в экологическом отношении.

При повышении напряжения выше допустимого в электрохимических конденсаторах электрического пробоя не происходит, что выгодно отличает их от традиционных конденсаторов, но начинается процесс разложения электролита. В случае неводного электролита работа при повышенном напряжении приводит к снижению характеристик конденсатора.

Суперконденсаторы имеют большой срок службы, обусловленный отсутствием химических процессов, которые в обычных аккумуляторах приводят к постепенному снижению их характеристик. В процессе эксплуатации и хранения электрохимические конденсаторы не требуют обслуживания, работоспособны в широком интервале температур. Большинство суперконденсаторов имеют низкий саморазряд, что позволяет применять их в буферных системах. Энергия, запасаемая суперконденсаторами, может достигать 50...60 Дж/г, а мощность - 3...5 кВт/кг.

Достигнутые характеристики суперконденсаторов. На рис. 2 показано положение, занимаемое традиционными конденсаторами, аккумуляторами и суперконденсаторами в зависимости от их удельных характеристик по графику Ragony. Графики Ragony показывают величину отдаваемой суперконденсатором энергии при различной мощности разряда и используются для сравнения характеристик различных суперконденсаторов.

Рис. 2. Позиционирование различных источников тока

В настоящее время многие эксперты по исследованию рынка классифицируют суперконденсаторы на группы «низковольтные» и «высоковольтные». Все известные сегодня суперконденсаторы используют электрохимические системы, которые обеспечивают несколько вольт напряжения на один элемент. Поэтому, так называемые «высоковольтные» суперконденсаторы - это лишь результат технологии и конструктивного исполнения, которые предусматривают последовательное соединение многих суперконденсаторных элементов для получения более высокого рабочего напряжения.

Было бы более правильным использовать классификацию: маломощные малогабаритные суперконденсаторы и мощные энергоемкие суперконденсаторы. Последние предполагают емкость в тысячи и десятки тысяч фарад на один элемент (т.е. могут запасать энергию - единицы и десятки килоджоулей на один элемент), а также способны отдавать энергию с удельными мощностями в несколько киловатт на килограмм.

На рис. 3 показаны кривые Ragony для супеконденсатора Maxwell типа PC 7223 (2500 Ф) и электрохимических конденсаторов «ЭСМА» (ЕС 501, 6000 Ф) для различных режимов эксплуатации.

Рис. 3. Плотность мощности, Вт/л

Зависимости отражают поведение суперконденсаторов при нормальных условиях и разряде от номинального верхнего напряжения до половины данного значения напряжения.

Области применения мощных энергоемких суперконденсаторов.

Пуск двигателей внутреннего сгорания

Суперконденсаторы, обладая высокой мощностью и коротким временем заряда, используются в системах электростартерного пуска двигателей автомобилей и тракторов, дизель-генераторных агрегатов, турбогенераторов, дизельных двигателей судов и тепловозов для обеспечения высоких оборотов двигателя во время запуска.

Конденсаторные модули могут использоваться для пуска ДВС совместно с аккумуляторной батареей или без нее. Они являются эффективным средством для надежного пуска двигателей при низких температурах, а также в случае значительно разряженной аккумуляторной батареи.

Переносные пусковые устройства на базе суперконденсаторов обладают малым весом и не требуют сетевого питания. Они обычно заряжаются от штатной аккумуляторной батареи, в которой всегда достаточно для этого энергии (0,5...2 Ач). Благодаря малому времени заряда, они позволяют осуществить за короткое время большое количество пусков двигателей. Такие устройства актуальны для автохозяйств, где они окупаются менее чем за год.

Гибридные энергоустановки для городского транспорта, системы рекуперации энергии торможения

Все мировые автопроизводители, а также ряд специализированных компаний в настоящий момент ведут разработку и производство гибридного автотранспорта. Из всех накопителей энергии, предлагаемых в настоящее время для систем рекуперации и энергоустановок для гибридного транспорта, наиболее приемлемыми являются накопители на базе суперконденсаторов.

Тяговые источники энергии для электротранспорта

Высокие значения удельной энергии тяговых электрохимических конденсаторов ЗАО «ЭСМА», возможность их быстрого заряда и большой ресурс позволили использовать их в качестве единственного источника энергии для электробусов, электрогрузовиков, заводского напольного электротранспорта и другой техники. Электротранспорт, использующий электрохимические конденсаторы в качестве источника энергии, предназначен для работы на коротких или фиксированных маршрутах. Эффективность грузовых и пассажирских перевозок в этом случае повышается за счет использования более легкой батареи, обладающей малым временем заряда (не более 15 минут) по сравнению с традиционной аккумуляторной батареей.

Высоковольтные размыкатели

Применение суперконденсаторов в качестве источника тока для привода высоковольтных размыкателей дает возможность повысить надежность системы питания, уменьшить ее габариты и вес.

Системы питания задвижек и аварийных клапанов трубопроводов, систем вентиляции и кондиционирования воздуха при аварийных ситуациях

Батареи электрохимических конденсаторов, в отличие от аккумуляторов или пневматических систем приводов, не требуют обслуживания, имеют срок службы более 12 лет, обладают большей надежностью и безопасностью.

Системы качественной энергии, резервные источники питания

Применение в них суперконденсаторов снижает габаритные размеры и вес системы, повышает качество получаемой энергии.

Источники энергии для физических установок, импульсно-периодических лазеров

Замена в таких устройствах традиционных конденсаторных накопителей на накопители на базе суперконденсаторов приводит к значительному снижению габаритных размеров и веса источника энергии, а во многих случаях и к меньшей цене. Это крайне актуально для мобильных систем.

Фильтры питания мощных радиосистем

К мощным радиосистемам относятся импульсные радиопередатчики, мощные стационарные и передвижные радиоустановки, системы car-Audio.

Фильтры питания на базе суперконденсаторов обеспечивают лучшие рабочие характеристики радиосистемы, имеют меньшие габариты, вес и цену, чем фильтры на базе традиционных конденсаторов.

Автомобили с гибридной трансмиссией и КЭУ. В научно-производственном центре "Специальное машиностроение" (НПЦ СМ) МГТУ имени Н.Э. Баумана на базе шасси автомобиля ГАЗ -- "Садко" пока только разработали, а на базе шасси УАЗ-2966 разработали и начали изготовлять экспериментальный автомобиль с комбинированной энергетической установкой (КЭУ). Механическая часть трансмиссии, рулевое управление, рама, тормозная система заимствованы с базовых шасси, ДВС заменен на электрохимический генератор, в связи с чем в конструкцию ввели ряд дополнительных элементов. Так, в трансмиссию установили тяговый электродвигатель вместо коробки передач, накопитель энергии и преобразователи, обеспечивающие совместную работу ЭХГ, накопителя энергии и тягового электродвигателя; на шасси разместили системы хранения и подачи водорода, термостатирования ЭХГ, инертного газа, продувок и сброса реакционной воды, электропитания, управления и контроля, насосные станции системы охлаждения тягового электродвигателя и гидроусилителя рулевого управления.

Цели выполняемых в МГТУ работ очевидны: исследовать возможности создания варианта ЭХГ для автомобиля и совместной работы КЭУ, согласующего преобразователя и тягового электропривода; изучить влияние распределения потоков мощности на эксплуатационные характеристики автомобиля. С тем, чтобы уточнить структуру и сформулировать технические требования к тягово-силовым агрегатам, устанавливаемым на серийно выпускаемых автомобилях при замене ДВС на КЭУ.

В качестве накопителя 18 электроэнергии используется аккумуляторный модуль 20, состоящий из 38 сборок по шесть никель-металлгидридных аккумуляторов в каждой, с собственной системой контроля и управления, блок 19 коммутационно-защитной аппаратуры и устройство 21 заряда от промышленной сети (220 В, 50 Гц). Емкость аккумуляторного элемента -- 14 А * ч, максимальное выходное напряжение -- 344 В, минимальное -- 240, номинальное -- 288 В; максимальный ток при заряде -- 14 А, при разряде -- 60 А.

Комплектный электропривод (состоит из пульта 29 управления; педального блока 25, задающего тяговый и тормозной моменты; блока 11 силовой коммутации; источника 24 стабилизированных напряжений; тягового реверсивного преобразователя (инвертора) 12; трехфазного асинхронного тягового электродвигателя 14. Входное напряжение привода -- 240--360 В; максимальные ток -- 160 А, частота напряжения электродвигателя -- 100 Гц, момент на его валу -- 300 Н * м, частота вращения ротора -- 2700 мин-1.

Для согласования выходного напряжения ЭХГ с напряжением накопителя электроэнергии и входным напряжением привода, а также для обеспечения питанием систем ЭХГ и управления потоками мощности предназначен согласующий преобразователь 7 постоянного тока мощностью 18 кВт, входное напряжение которого варьируется в диапазоне 45--75 В, а выходной ток -- в диапазоне 47--70 А.

Пуск энергоустановки начинается с включения центрального пульта управления и пуска накопителя электроэнергии, который обеспечивает пуск ЭХГ и, в дальнейшем, выход его на рабочий режим.

При заряженном накопителе энергии его система управления с помощью собственного блока коммутации и защиты подключает накопитель к силовой шине и формирует сигнал "НЭ подключен", который высвечивается на пульте управления. Обнаружив данный сигнал, водитель специальным тумблером включает преобразователь собственных нужд (ПСН), входящий в состав преобразователя электроэнергии. ПСН формирует электропитание, необходимое для работы систем автоматического управления и контроля ЭХГ, термостатирования, подачи водорода, кислорода и инертного газа, продувок и сброса реакционной воды, электрооборудования. При выходе преобразователей собственных нужд и электроэнергии на рабочий режим на пульте появляются сигналы "ПСН готов" и "ПЭ за-питан". (Но если ПСН вышел из строя, его система формирует сигнал "Авария ПСН".)

Сигнал "ПЭ запитан" -- это разрешение на пуск ЭХГ, т. е. включение соответствующего тумблера. При этом включается повышающий преобразователь и высвечивается сигнал "Прием нагрузки", а электропитание собственных нужд ЭХГ переключается с накопителя электроэнергии на ЭХГ, и последний выходит на режим полной мощности, о чем сообщает сигнал "Готовность ЭУ". При аварии ЭХГ или отсутствии водорода и кислорода высвечивают сигналы "Неисправность", "Закончился газ". Одновременно автоматика отключает повышающий преобразователь, снимая нагрузку с ЭХГ.

Тяговый электропривод имеет свой пульт управления, который подает питание на схемы управления, включает и выключает реверсивный инвертор и задает направление движения. Величины силы тяги или момента торможения задаются, как уже упоминалось, с помощью педалей педального блока. Но при одновременном нажатии обеих педалей приоритет имеет педаль тормоза.

Система управления тяговым электроприводом корректирует задание по тяговому моменту в соответствии с ограничением, создаваемым системой управления потоками мощности: при торможении она выдает сигнал, по которому система управления потоками мощности отключает повышающий преобразователь, т. е. переводит ЭХГ в режим холостого хода, и накопитель энергии заряжается только за счет рекуперации энергии торможения. И вообще надо сказать, что оптимальное функционирование тягово-силовых агрегатов осуществляет именно система управления потоками мощности. Она ограничивает уровень мощности, отбираемой от ЭХГ в длительном режиме; переключает ЭХГ в режим максимальной мощности, если так требуется по условиям движения; стабилизирует напряжение ЭХГ на минимально допустимом уровне, обеспечивающем работоспособность топливных батарей; за счет формирования ограничения по тяговому моменту поддерживает ток разряда батареи в допустимых пределах, а за счет формирования ограничения по тормозному моменту -- ток заряда батареи и, как сказано выше, отключает повышающий преобразователь в режиме торможения привода.

В ходе НИР специалисты МГТУ разработали и математическую модель системы управления потоками мощности. Цель моделирования -- скорректировать технические требования к тягово-силовым агрегатам и определить рабочие режимы их эксплуатации, гарантирующие минимальный расход компонентов топлива. При этом соблюдались следующие граничные условия:

1. Модели электрохимического генератора, преобразователя и накопителя энергии, тягового электропривода и автотранспортного средства упрощены, а происходящие в них переходные процессы нерассматриваются.

2. Регулирование уровня отбора мощности от ЭХГ выполняется за счет изменения коэффициента использования мощности.

3. Токи заряда/разряда накопителя регулируются путем ограничения заданий по тяговому и тормозному моментам электродвигателя.

В структурную схему системы управления потоками мощности вошли пять математических моделей ее элементов -- ЭХГ, преобразователя и накопителя электроэнергии, тягового электропривода с органами управления и автотранспортного средства.

В качестве исходных данных при моделировании ЭХГ были масса водорода и коэффициент использования мощности. Причем последний, в зависимости от условий движения, принимался равным либо заданному, либо нулю (режим торможения), либо единице (режим максимального задания по тяге). По этим данным рассчитывались вольт-амперная характеристика, мощность, расход компонентов топлива и их оставшееся количество. При полном расходовании водорода моделирование прекращалось.

При моделировании накопителя энергии определяли текущее напряжение, допустимые токи разряда и заряда. В качестве исходных данных использовали максимально и минимально допустимые напряжения, максимально допустимые токи заряда и разряда, начальные запас энергии и напряжение холостого хода. Значение внутреннего сопротивления батареи считалось постоянным. Подсчитывали же текущие значения энергии батареи и напряжения холостого хода (последнее линейно зависит от степени заряженности батареи). Исходные данные для моделирования преобразователя энергии -- мощность ЭХГ, напряжение накопителя электроэнергии, его допустимые токи разряда и заряда, задание по току, формируемое приводом, а вычисляли текущие значения тока накопителя энергии и предельного тока для привода.

Моделирование электропривода выполняли с учетом ограничений по току, формируемых системой управления потоками мощности, устанавливали задания по току и абсолютному скольжению, обеспечивающие наиболее экономичный режим работы электропривода. По известным частоте вращения ротора, току статора и скольжению по схеме замещения электродвигателя находили текущее значение момента на его валу.

В процессе моделирования движения транспортного средства его рассматривали как одномассовую систему, маховая масса которой приводилась к ротору электродвигателя, а затем вычисляли ускорение и скорость ротора, ускорение, скорость и полный пробег АТС.

Структурная схема автомобиля с КЭУ:

1 -- коммутация электропитания системы освещения и сигнализации; 2 -- штатная аккумуляторная батарея; 3 -- преобразователь энергии; 4 -- электрохимический генератор; 5 и 9 -- контроллеры; 6 -- зарядное устройство; 7 -- согласующий преобразователь постоянного тока; 8 -- преобразователь собственных нужд; 10-- блок распределения потоков мощности; 11 -- блок силовой коммутации; 12 -- тяговый инвертор; 13 -- блок управления инвертором; 14 -- тяговый электродвигатель; 15 -- стояночный тормоз; 16 -- раздаточная коробка; 17-- задний мост; 18 -- накопитель энергии; 19 -- блок коммутационно-защитной аппаратуры; 20 -- аккумуляторный модуль; 21 -- устройство заряда от промышленной электросети; 22 -- блок контроля; 23 -- автомат источника стабилизированных напряжений; 24 -- источник стабилизированных напряжений; 25 -- педальный блок; 26 -- педаль тормоза; 27-- педаль тяги; 28 -- центральный пульт; 29 -- пульт управления тяговым приводом.

Размещено на Allbest.ru