Методика расчета системы электростартерного пуска с аккумуляторной батареей и емкостным накопителем энергии

Аннотация

В статье представлена разработанная на кафедре «Автотракторное электрооборудование» Университета машиностроения методика расчета систем электростартерного пуска с комбинированным источником тока. Представлены исходные данные и основные формулы и выражения для расчета таких систем и определения основных энергетических параметров.

Полный текст

В результате проведения научно-исследовательских работ на кафедре «Автотракторное электрооборудование» по исследованию процесса пуска двигателя внутреннего сгорания и питания электростартера от совместно работающих емкостного накопителя энергии (НЭ) и аккумуляторной батареи (АБ) были выведены формулы для расчета значений напряжений и токов накопителя энергии и аккумуляторной батареи, ЭДС и частоты вращения якоря стартерного электродвигателя, а также полезной мощности на валу стартерного электродвигателя. Анализ полученных формул показывает, что при подключении накопителя энергии параллельно аккумуляторной батарее при постоянстве полезного момента возрастают средние частоты вращения якоря стартерного электродвигателя и его полезная мощность. В результате этого повышается надежность пуска ДВС в условиях низких температур. Разработаны выражения, позволяющие определить основные энергетические параметры системы электростартерного пуска (СЭП) при параллельной работе АБ и НЭ и формула для расчета емкости накопителя, которая определяется из требуемой механической энергии, необходимой для вращения вала ДВС с заданной пусковой частотой вращения. Приведенная методика расчета позволяет с достаточной точностью рассчитывать параметры СЭП с комбинированным источником тока (КИТ). Исходные данные для расчета СЭП с КИТ. Двигатель внутреннего сгорания – ДВС. 1. Марка, код. 2. Моторное масло (сорт, марка). 3. Расчетная температура пуска ДВС - С. 4. Вязкость масла при Т - мм г/с. 5. Число зубьев маховика или передаточное число привода стартера – u. 6. Экспериментальные зависимости = f( ) в табличной форме. Характеристики = f( ) могут быть расчетными (по эмпирическим формулам РТМ). 7. Пусковые характеристики ДВС = f( ) в табличной форме. 8. КПД передачи от СЭ к ДВС - 9. Частоты вращения вала ДВС, для которых строятся зависимости параметров СЭП от t - , (например, по времени пуска = 10; 15 с; по ОСТ 37.001.052-87. 10. Число цилиндров двигателя . 11. Число тактов двигателя (тактность). Аккумуляторная батарея – АБ. 1. Тип, марка, код (если АБ задана). 2. Номинальное напряжение - , В. 3. Удельная энергия АБ по объему - , Дж/ . 4. Удельная энергия АБ по массе - , Дж/кг. 5. Отношение массы АБ к ее номинальной емкости = / , кг/А ч. 6. Номинальная емкость АБ (если АБ задана) - / , А ч. 7. Масса АБ (если АБ задана) - кг. 8. Объем АБ (если АБ задана) - , . 9. Начальное разрядное напряжение (может быть задано по РТМ или рассчитано по формулам Ю.И.Боровских). 10. Сила тока короткого замыкания - (может быть задано или рассчитано по формулам Ю.И.Боровских). 11. Сила тока короткого замыкания на одну положительную пластину - = / , А ч. 12. Номинальная емкость АБ, отнесенная к одной положительной пластине - = / , А ч. 13. Односторонняя площадь электрода АБ - 14. Толщина положительного электрода – , м. 15. Расчетная степень разряженности АБ - , %. 16. Коэффициент, учитывающий падение тока с каждой попытки пуска – . 17. Коэффициенты , , в формуле для расчета тока . 18. Расчетное число попыток пуска в формуле для расчета тока . Емкостной накопитель энергии (конденсатор) – НЭ. 1. Номинальное напряжение НЭ – , В. 2. Допустимое по ТУ на НЭ напряжение заряда – , В. 3. Удельная энергия НЭ по объему , Дж/ . 4. Удельная энергия НЭ по массе , Дж/кг. 5. Постоянная времени НЭ - = при заданной Т, (должна быть зависимость (или ) от Т, ). 6. Емкость накопителя энергии - , Ф (если задан НЭ). 7. Сопротивление накопителя энергии - , Ом (если задан НЭ). 8. Напряжения начала разряда, для которых строятся зависимости параметров СЭП от времени t и частоты вращения - < < ; = ; = . Стартерная цепь. 1. Сопротивление стартерной сети - , Ом (принимается =0,002 Ом или задается другое значение заказчиком). 2. Масса провода = или задается конкретное значение. 3. Падение напряжения на диодах в цепи между АБ и НЭ - △ , В. Электростартер. 1. Тип, код. 2. Номинальное наряжение , В (должно быть равно номинальному напряжению АБ). 3. Рабочие характеристики электростартера - , , , = f( ) в табличной форме. 4. Сопротивление стартера - , Ом. 5. Число зубьев шестерни привода – . 6. Масса стартера - , кг. Последовательность расчета СЭП с КИТ Задаемся частотами вращения n с интервалом 10 (можно 5 или 20 ) - △ ; от = 30 до = 150 для бензиновых двигателей и от 50 до 250 для дизелей. Если на графиках = f( ) и = f( ) не хватает данных (ограничены ), то нужна аппроксимация. Для по зависимостям = f( ) определяем , Н м, затем для по зависимостям = f( ) определяем , с. По известной методике /1/ находим энергию , требуемую для вращения вала ДВС с частотой в течение времени вращающий момент на валу СЭ силу тока якоря А в расчетном рабочем режиме по зависимостям = f( ) СЭ при моменте требуемую расчетную частоту вращения якоря СЭ частоту вращения якоря СЭ на исходных рабочих характеристиках при расчетном значении силы тока якоря , (по зависимости = f( ); напряжение на выводах СЭ при силе тока на исходных рабочих характеристиках - (зависимости = f( ) , ЭДС в обмотке якоря в рабочем режиме на исходных рабочих характеристиках Еао; ЭДС в обмотке якоря, необходимая для вращения якоря с частотой Еар ; электромагнитную мощность СЭ, требуемая для вращения якоря СЭ с частотой Рср ; полезную мощность на валу СЭ, требуемая для вращения якоря с частотой Р2ср ; среднее значение электромагнитного КПД ; полную механическую энергию СЭ за время ; минимально допустимое напряжение заряда НЭ в КИТ Далее определяются следующие параметры: Постоянная времени КИТ для условия , т.е. когда АБ и НЭ в КИТ работают еще совместно, решая следующее равенство: , (1) где: может изменяться от 0 до , но использовать значения свыше 10000 нецелесообразно. Сопротивление АБ при : (2) Емкость НЭ при : . (3) Сопротивление НЭ для : (4) Максимальное расчетное напряжение заряда НЭ (по условию Uнэон < Uн + IaRнэ): (5) Время до остановки СЭ . (6) Напряжение на выводах НЭ при отключенной нагрузке: . (7) Сила тока НЭ: . (8) Сила тока АБ: . (9) Напряжение на выводах КИТ (текущее значение): . (10) ЭДС в обмотке якоря СЭ: . (11) Время до остановки СЭ ( ): . (12) Электромагнитная мощность СЭ: . (13) Полная мощность АБ с учетом внутренних потерь: . (14) Полная мощность НЭ с учетом внутренних потерь: (15) Полная мощность КИТ с учетом внутренних потерь: (16) Текущее значение механической работы: . (17) Текущее значение энергии (работы) прокручивания вала ДВС за время t: . (18) Текущее значение КПД СЭП с КИТ за время t: . (19) Текущее значение механического КПД (КПД преобразования электрической энергии в полную механическую работу, совершаемую СЭ) за время t: . (20) Энергия НЭ на данный момент времени t: . (21) Энергия полностью заряженного НЭ до напряжения Uнэон: . (22) Угол поворота коленчатого вала ДВс за время t: . (23) Число рабочих ходов: . (24) Средняя сила тока разряда АБ при работе в КИТ за время t: . (25) Допустимое время разряда АБ в КИТ током силой Iабср (учитывается только разряд на СЭ при работе в КИТ, затраты энергии на заряд НЭ не учитываются): . (26) Число возможных попыток прокручивания вала ДВС продолжительностью t СЭП с КИТ по запасу энергии АБ (АБ работает только на разряд совместно с НЭ на СЭ): . (27) Кратность тока АБ ее номинальной емкости: . (28) Далее для различных значений и строятся зависимости от времени (от t = 0 до ) всех расчетных параметров СЭП с КИТ. Вывод Данная методика расчета СЭП с КИТ дает возможность с достаточной точностью определить основные параметры СЭП. Формулы для определения основных параметров СЭП с КИТ позволяют провести сравнительный анализ с другими системами пуска.