Selection of rational parameters of electromechanical transmissions of tracked vehicles

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

Supplementary files