Selection of rational parameters of electromechanical transmissions of tracked vehicles


Cite item

Full Text

Abstract

Data obtained from an experimental research of electric drive with molecular energy storage permits to conclude that using of the capacitive storage as a part of electromechanical transmission is appropriate. Proposals concerning organization of automated system of motion control for a tracked vehicle equipped with electromechanical transmission using molecular energy storage are developed.

Full Text

УДК 62-1/-9 ТСМ № 11-2014 Выбор рациональных параметров электромеханической трансмиссии гусеничных машин Д-р техн. наук В.Ф. Ягубов (МАДИ), канд-ты техн. наук А.Г. Стрелков (Университет машиностроения (МАМИ)), А.А. Котровский (Общевойсковая академия Вооруженных сил РФ, kotrovskiy@rambler.ru) Аннотация. Приводятся данные, полученные в ходе экспериментальных исследований электропривода с молекулярным накопителем энергии, позволяющие сделать вывод о целесообразности использования емкостных накопителей в составе электромеханических трансмиссий (ЭМТ). Разработаны предложения по организации автоматизированной системы управления движением гусеничной машины с ЭМТ с использованием молекулярных накопителей. Ключевые слова: электроприводы, напряжение, рекуперация, молекулярный накопитель, управление, мощность, генератор, режим, торможение, заряд. Разработка электроприводов, в т.ч. и для ЭМТ транспортных машин, сопряжена с решением таких задач, как: - устранение провалов напряжений при резком увеличении нагрузки; - снижение уровня бросков напряжения и тока в сети питания вследствие рекуперации энергии от тяговых электродвигателей (ТЭД) при торможении и реверсировании; - снижение уровня пульсаций напряжения в сети питания при резкопеременной нагрузке и др. Один из путей решения этих задач - применение в составе системы питания тяговых электроприводов молекулярных емкостных накопителей электрической энергии. В настоящее время они широко используются в системах электрического стартерного пуска двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Кроме того, как в нашей стране, так и за рубежом ведутся работы по использованию молекулярных накопителей электрической энергии в составе различных типов электроприводов, в т.ч. и в ЭМТ. В целях оценки влияния молекулярных накопителей энергии на переходные процессы в тяговом электроприводе и определения целесообразности их использования в составе ЭМТ колесных и гусеничных машин проведены экспериментальные исследования на испытательных лабораторных стендах Общевойсковой академии Вооруженных сил РФ. В ходе исследований производилась сравнительная оценка процессов изменения уровней напряжения и пульсаций в электрической сети и временных характеристик переходных процессов с подключенным к системе электропитания емкостным накопителем и без него при включении, разгоне, торможении, реверсировании и работе электроприводов с различными скоростями. Анализ характеристик переходных процессов пуска электроприводов показал существенное влияние молекулярного накопителя на изменение напряжения сети питания DU и время Tn выхода этих устройств на номинальный рабочий режим. На рис. 1, а представлены осциллограммы изменения напряжения бортовой сети при включении электропривода и его питании от штатных источников (генератора и аккумуляторной батареи) и от этих же источников совместно с накопителем. В первом случае провалы напряжения достигают 5 В, а время пуска привода Tn = 4,5 с. При работе с теми же источниками энергии с подключенным накопителем провалы напряжения снижаются на 40% и достигают 3 В, а время пуска и выхода привода на рабочий режим уменьшается на 40-45% и составляет 2,5 с. На рис. 1, б представлены осциллограммы изменения напряжения в сети питания при реверсировании электропривода, вращающегося с максимальной скоростью. Перепады напряжения в таком случае достигают 6-7 В, а время реверса составляет 4 с. Включение в схему питания молекулярного накопителя приводит к уменьшению перепадов напряжения в бортовой сети на 80% при провалах напряжения до 1,5 В, время переходного процесса сокращается до 3 с. Торможение электропривода сопровождается рекуперацией энергии, которая может быть использована для заряда накопителя и пополнения запаса энергии в нем. Способность накопителей аккумулировать энергию, вырабатываемую электродвигателем в процессе торможения, позволяет повысить показатели экономичности электроприводов и обеспечить защиту оборудования от токов рекуперации. Подключение молекулярного накопителя при резком увеличении нагрузки позволило уменьшить провалы напряжения в сети питания и сократить время переходного процесса примерно в 2 раза. Осциллограммы изменения напряжения в бортовой сети при увеличении нагрузки приведены на рис. 1, в. Анализ результатов экспериментальных исследований позволяет сделать следующие выводы: - использование молекулярных накопителей энергии в цепях питания электроприводов позволяет уменьшить в среднем в 2 раза падение напряжения питания и токи, потребляемые от основного источника, в процессах пуска, разгона, торможения и реверсирования ТЭД; - включение молекулярных накопителей энергии в цепь питания обеспечивает существенное улучшение динамических характеристик (времени пуска, разгона, торможения и реверсирования) электроприводов, уменьшая тем самым общее потребление энергии от основных источников в переходных процессах; - способность молекулярных накопителей аккумулировать энергию, вырабатываемую ТЭД при электродинамическом торможении, и отдавать ее при необходимости позволяет снизить установочную мощность приводного ДВС, обеспечивая повышение топливной экономичности при сохранении тягово-динамических свойств машины; - свойства молекулярных накопителей энергии позволяют использовать их дополнительно в качестве фильтрующих элементов бортовой сети, ограничивающих пульсации Uбс и обеспечивающих более высокое качество электрической энергии в цепи питания потребителей, а также защиту оборудования от токов рекуперации в режимах торможения ТЭД. Эффективность применения молекулярного накопителя в составе электропривода определяется схемой коммутации электрических машин, структурой, параметрами и алгоритмом функционирования системы управления. Вариант системы управления движением транспортной машины с ЭМТ представлен на рис. 2. Особенность предлагаемой схемы заключается в установке блока управления и коммутации, предназначенного для переключения молекулярного накопителя энергии на заряд или разряд по команде микропроцессорного блока управления в зависимости от режима работы электропривода и изменения направления и величины напряжения и тока на ТЭД. Автоматическая система управления шасси транспортной машины с ЭМТ, содержащая микропроцессорный блок управления, блок коммутации и управления, датчиковую аппаратуру, информирующую о состоянии и режимах работы систем и агрегатов машины, и исполнительные элементы, обеспечивает запуск тягового ДВС, разгон, движение с постоянной скоростью (режим стабилизации скорости), повороты и торможение машины. Блок коммутации и управления в совокупности с микропроцессорным блоком управления осуществляет подключение накопителя: на разряд при провалах напряжения на ТЭД (при резком увеличении нагрузки, работе ДВС на режимах максимальной мощности) и на электродвигателе поворота (при увеличении момента сопротивления повороту), а также при разгонах машины в качестве усилителя мощности; на заряд от основного генератора при остановках машины и переходе ТЭД и электродвигателя поворота в тормозной режим работы для поглощения электроэнергии рекуперации. После запуска двигателя в зависимости от степени заряженности емкостный накопитель энергии по команде микропроцессорного блока управления может быть подключен на заряд, осуществляемый с помощью зарядного устройства. По мере заряда накопитель отключается от зарядного устройства. Состояние молекулярного накопителя определяется в результате обработки сигналов датчиковой аппаратуры, поступающих в микропроцессорный блок управления. При этом система управления должна решать следующие задачи: - автоматически рассчитывать и управлять временем включения накопителя на заряд; - выдавать сигнал на подключение накопителя на разряд при провалах напряжения на ТЭД на номинальных установившихся режимах движения; - подключать накопитель как усилитель мощности при разгонах машины, изменении положения педали управления; - переключать накопитель на заряд от основного генератора при остановках машины; - включать накопитель на заряд от ТЭД при переходе в тормозной режим работы и выработки им электроэнергии. При разгоне, увеличении нагрузки, работе тягового ДВС на режимах максимальной мощности, поворотах в тяжелых условиях местности автоматическая система управления по мере необходимости параллельно с генератором осуществляет подключение к ТЭД и электродвигателю поворота молекулярных накопителей, используя их в качестве усилителя мощности. Это позволяет повысить крутящий момент на ведущих колесах машины и снизить ток Iг нагрузки генератора: . (1) Таким образом обеспечивается улучшение тягово-динамических и топливно-экономических свойств гусеничной машины. При этом подводимая к ТЭД мощность равна сумме мощностей, развиваемых генератором и емкостным накопителем: . (2) В процессе торможения машины электродинамическим способом энергия, вырабатываемая ТЭД при переходе в генераторный режим, запасается молекулярными накопителями с целью дальнейшего использования. В случае необходимости (когда потребный зарядный ток молекулярного накопителя превышает ток , вырабатываемый ТЭД в генераторном режиме) параллельно с электродвигателем к накопителю для его зарядки подключается генератор. Тогда , (3) а потребная мощность генератора определяется выражением: , (4) где - мощность, отдаваемая ТЭД в генераторном режиме. Рассмотрим прямолинейное движение машины, описываемое уравнением [2]: , (5) где - масса машины; - ускорение движения машины; - сила тяги, обеспечивающая движение; - сила сопротивления движению. , где - момент на ведущем колесе; - радиус ведущего колеса; - момент на валу ТЭД, - передаточное число редуктора; - КПД редуктора. , где - вес машины; fс - суммарный коэффициент сопротивления движению. Решив уравнение (3) относительно момента Mэд , получим: . (6) Момент на валу ТЭД также может быть описан выражением [2]: , (7) где - коэффициент пропорциональности, постоянный для данной электрической машины; Ф - магнитный поток электродвигателя; - ток нагрузки ТЭД. С учетом уравнений (6) и (7) запишем выражение для тока нагрузки , необходимого для реализации требуемого режима движения гусеничной машины в заданных внешних условиях: . (8) Ток, вырабатываемый ТЭД при переходе в генераторный режим, равен [2]: , (9) где - напряжение на выводах ТЭД в генераторном режиме; - сопротивление якорной цепи; - электродвижущая сила якоря. , где - частота вращения якоря; - коэффициент пропорциональности, постоянный для данной электрической машины. С учетом зависимости частоты вращения якоря ТЭД от скорости движения гусеничной машины [2] . (10) Выражение для определения тока нагрузки ТЭД при работе в генераторном режиме имеет вид: . (11) Напряжение заряда накопителя определяется уравнением вида [2]: , (12) где - конечное напряжение на выводах накопителя; - время заряда; - постоянная времени цепи заряда. , где - емкость накопителя энергии; - эквивалентное сопротивление цепи ТЭД; - сопротивление емкостного накопителя. Напряжение разряда накопителя определяется выражением [2]: . (13) Уравнение для определения тока заряда (разряда) накопителя имеет вид [3]: . (14) Пусть неравномерное движение машины (при управляющих воздействиях водителя) осуществляется с ускорением, изменяемым по закону: , (15) где - амплитуда изменения скорости; - круговая частота изменения скорости; - текущее время движения машины; . Тогда периодическое изменение скорости движения гусеничной машины будет описываться выражением вида: , (16) где - постоянная составляющая скорости движения. Для случая > 0 движение ускоренное, энергия накопителя используется для разгона машины. При < 0 движение замедленное, энергия, вырабатываемая электродвигателем при торможении, используется для заряда накопителя. Требования к емкости молекулярного накопителя определяются объемом энергии, вырабатываемой ТЭД в процессе торможения и используемой в дальнейшем для реализации высоких тягово-динамических свойств гусеничной машины и минимизации мощности генератора. Вследствие этого при разработке ЭМТ с молекулярным накопителем энергии необходимо обосновать емкость накопителя , обеспечивающую, с одной стороны, возможность его заряда за счет энергии, вырабатываемой ТЭД в генераторном режиме, а с другой,- сохранение требуемых тягово-динамических свойств машины при использовании генератора пониженной мощности. Соотношение мощности генератора и емкости молекулярного накопителя, обеспечивающее требуемый уровень тягово-динамических свойств гусеничной машины в заданных внешних условиях движения для случая ˃ 0, определяется выражением , или, с учетом формул (8), (12) и (13): , (17) где tр - время разгона машины. На режимах торможения при <0 молекулярный накопитель подключается к сети, обеспечивая использование энергии рекуперации, вырабатываемой электроприводами при торможении машины, за счет аккумулирования этой энергии. При этом с учетом формул (2), (10), (11) и (13) выражение (17) принимает вид: , (18) где tт - время торможения машины. В случае равномерного движения, когда , и работы генератора и ТЭД на частичных характеристиках (при движении гусеничной машины с неполной нагрузкой на генератор и тяговый ДВС) питание электроприводов и заряд накопителей осуществляются от генератора: , (19) где tз - время заряда накопителя. Молекулярный накопитель энергии при необходимости (в случае разряда) также подключается на заряд при работе гусеничной машины на месте. Выбор параметров генератора, емкостного накопителя энергии и ТЭД в зависимости от дорожно-грунтовых условий и режимов движения машины может быть осуществлен с использованием зависимостей (17)-(19), полученных в результате анализа процессов функционирования гусеничной машины с ЭМТ. Таким образом, в результате проведенных экспериментальных исследований электропривода с молекулярным накопителем энергии получены данные, позволяющие сделать вывод о целесообразности использования емкостных накопителей в составе ЭМТ. Это позволит уменьшить падение напряжения питания и токи, потребляемые от основного источника в переходных режимах работы электропривода, а также общее потребление энергии от основных источников за счет использования энергии рекуперации при электродинамическом торможении машины. Применение молекулярных накопителей обеспечит существенное улучшение динамических характеристик (времени пуска, разгона, торможения и реверсирования) электропривода и снизит установочную мощность тягового ДВС при повышении топливной экономичности и сохранении тягово-динамических свойств машины. На основе проведенных исследований разработаны предложения по организации автоматизированной системы управления движением гусеничной машины с ЭМТ с использованием молекулярных накопителей.
×

About the authors

V. F Yagubov

Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI)

A. G Strelkov

University of Mechanical Engineering (MAMI)

A. A Kotrovskiy

Combined Arms Academy of the Armed Forces of the Russian Federation

Email: kotrovskiy@rambler.ru

References

  1. Дмитриев А.В., Иванченко П.Н. Электрическая трансмиссия переменного тока // Зарубежная военная техника. - 1976, №12.
  2. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1990.
  3. Ефремов И.С., Пролыгин А.П. Электрические трансмиссии пневмоколесных транспортных средств. - М.: Энергия, 1976.
  4. Manfred R. Heeg. Advanced Electric Drive Technologies For All Electric Combat Vehicles // All Electric Combat Vehicles Second International Conference. - 8-12 June 1997.

Copyright (c) 2014 Yagubov V.F., Strelkov A.G., Kotrovskiy A.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies