Control of a diesel-generator set of a heavy truck in transient conditions

详细

The article deals with the task of improving fuel efficiency and service life of a diesel-generator within the system of additional energy and activation of heavy truck containing the traction electric drive. The authors proposed a program for control of rotational speed and load in transient conditions, which allows to solve the problem. The program tested in bench tests.

全文:

При транспортировке автомобильным транспортом длинномерных тяжеловесных неде- лимых грузов специального и общехозяйственного назначения, таких как трубы большого диаметра, химические колонны и другие, традиционно используются большегрузные автопо- езда в составе мощного тягача КЗКТ или МАЗ с гидромеханической трансмиссией и специ- ального полуприцепа. Чтобы обеспечить надежную доставку грузов в зимних условиях, по- луприцеп выполняют активным. Для активизации используют тяговый электропривод с пи- танием от электрогенератора, устанавливаемого на тягач. Энерговооруженность автопоездов достигает 750-1000 кВт, что превышает возможно- сти серийно выпускаемых тягачей. Для повышения мощности используют дополнительный источник энергии, устанавливаемый на прицепное звено. Им является автономный блок в составе теплового двигателя, обычно дизельного, и тягового генератора. К генератору под- ключают тяговые электродвигатели колес прицепного звена, образуя систему дополнитель- ной энергетики и активизации (СДЭА) автопоезда [1]. Работа дизельных двигателей и разнородных трансмиссий автопоезда должна быть определенным образом согласована для получения необходимых тягово-динамических и тя- гово-сцепных качеств. В основу согласования закладывают принцип равного участия двига- телей в выполнении транспортной работы, предполагающий равную относительную загрузку мощностью, что способствует их равномерному износу и повышению долговечности. В ре- жимах трогания автопоезда и движения с малой скоростью переходят на распределение сил тяги звеньев пропорционально их сцепным весам, позволяющее наилучшим образом исполь- зовать тягово-сцепные возможности. Управление мощностью дизель-генератора СДЭА осуществляется путем автоматиче- ского регулирования тягового генератора по сигналу задатчика, связанного с педалью аксе- лератора на тягаче [2]. Этот сигнал задает требуемую мощность и максимальный ток генера- тора. По первому параметру ведется основное регулирование мощности СДЭА, по второму ограничивается сила тяги прицепного звена в соответствии с соотношением сцепных весов. Чтобы не перегрузить дизель, его заранее выводят на стационарный скоростной режим исхо- дя из ожидаемой нагрузки. Этот режим соответствует внешней регуляторной характеристике дизеля в случае, если автопоезд груженый, и определенной частичной регуляторной характе- ристике, если порожний. В порожнем состоянии потребная мощность энергоустановки меньше, что позволяет снизить скорость вращения и перейти в более благоприятную область работы по расходу топлива, износу и уровню шума. Данный вариант управления достаточно прост и обеспечивает готовность дизеля к при- ему быстро изменяющейся нагрузки со стороны генератора. Но приводит к повышенному расходу топлива и длительной работе дизеля на предельных скоростях вращения, что увели- чивает износ. С целью снижения расхода топлива обычно применяют пропорциональное регулирова- ние мощности генератора в функции частоты вращения установки, соответствующее линии наибольшей экономичности [3]. В рамках поставленной задачи такое регулирование предпо- лагало бы первоначальное задание скорости вращения дизель-генератора, а затем отработку соответствующей мощности. При этом было бы необходимо, чтобы энергоустановки автопо- езда были способны разгоняться под нагрузкой в одинаковом темпе. Однако темп разгона оказывается различным. Движение энергоустановок тягача и СДЭА описывается известным уравнением: Me - M = J dω , (1) dt где: Me - эффективный момент двигателя; M - момент сопротивления вращению; J - момент инерции; ω - угловая скорость установки. При равенстве номинальных мощностей дизелей и принятом варианте распределения мощности соотношение величин Me и M в уравнении будет примерно одинаково для тягача и СДЭА, и различия в динамике разгона будут в основном определяться величинами момента инерции J J = Jд + Jн , u2 где: Jд - суммарный момент инерции вращающихся частей, связанных с дизелем; Jн - суммарный момент инерции нагрузки; u - передаточное число механической передачи между дизелем и нагрузкой. На практике энергоустановки существенно отличаются значениями u и Jн. Для тягача величина u близка к единице (0,7 - 0,9). Для СДЭА она много меньше единицы (0,35 и менее), что связано с желанием разработчиков использовать быстроходные генераторы. Момент инерции Jн тягача, в основном определяемый параметрами насосного колеса гидротрансформатора, оказывается меньше аналогичного момента инерции СДЭА. Это объясняется массивностью ротора тягового генератора и наличием дополнительного генератора для питания вспомогательных потребителей. В результате величина J для СДЭА в несколько раз превышает указанную величину для тягача, что сказывается на характере протекания переходных процессов. Двигатель СДЭА существенно «отстает» от двигателя тягача. В реальных условиях эксплуатации значительную часть времени занимают переходные режимы, вызываемые изменением продольного профиля пути, дорожной обстановки, вклю- чением вспомогательных нагрузок и другими причинами. В этих режимах двигатель СДЭА «уходил» бы с линии наибольшей экономичности на продолжительные отрезки времени, расход топлива повышался бы. Чем больше доля таких режимов в общем времени работы, тем больше было бы повышение путевого расхода топлива, достигающее на практике 30- 50%. В связи с этим целесообразно предложить другой способ управления, который позво- лил бы до минимума снизить продолжительность и количество переходных режимов, свя- занных с изменением скорости вращения дизель-генератора. В основе такого способа лежит использование нескольких стационарных скоростных режимов, определяемых регуляторными характеристиками дизеля, например, согласно ри- сунку 1. Рисунок 1. Многопараметровые характеристики дизеля: ge - удельный расход топлива (ge1< ge2< ge3); Ne - эффективная мощность; ω - угловая скорость Одна характеристика (кривая 1) является внешней регуляторной для обеспечения отбо- ра максимальной мощности, другие (кривые 2 и 3) - частичными для работы на малой и средней мощности. Частичные характеристики выбираются так, чтобы они лежали в зоне малых удельных расходов топлива с целью обеспечения экономичности. Зона работы на каждой характеристике определяется нагрузкой (жирная линия на рисунке 1). Средняя ха- рактеристика является основной и охватывает большую часть диапазона по мощности. Пере- ход из одной зоны в другую происходит автоматически. В рамках каждой зоны скоростной режим практически постоянен и поддерживается ре- гулятором скорости дизеля. Благодаря этому дизель-генератор готов к приему нагрузки и за счет своей инерции способен « проглатывать» ее возможные короткие забросы. Изменение скоростного режима необходимо только при смене зоны работы. Причем снижение угловой скорости может проходить независимо от нагрузки. Увеличение же долж- но сопровождаться динамической коррекцией для предотвращения перегрузки двигателя и для ускорения его разгона. Динамическую коррекцию во время переходного процесса можно вести тремя основ- ными способами: с частичным или полным снятием нагрузки; с увеличением мощности нагрузки пропорционально текущей скорости вращения; с задержкой увеличения мощности нагрузки до момента выхода на заданную угловую скорость. Первый вариант известен и предлагался для использования на тепловозах и относи- тельно легких грузовых автомобилях с тяговым электроприводом [4, 5]. Ему соответствует наиболее быстрый разгон энергоустановки. Но при этом наблюдается кратковременное па- дение или полное отсутствие силы тяги на колесах. На подъемах при малом запасе скорости это может вызвать остановку транспортного средства. Для тяжелых автопоездов характерны малые скорости движения на подъемах (7 - 12 км/ч), и снижение силы тяги даже на несколько секунд способно привести к потере скорости и остановке вместо ожидаемого водителем разгона. Поэтому данный вариант нельзя считать приемлемым. Сравнительная оценка двум другим вариантам дана расчетом на примере автопоезда с полнопоточным теплоэлектрическим приводом. В расчете моделировались два одновремен- ных процесса разгона: разгон дизель-генератора при изменении мощности по одному из ва- риантов управления и разгон всего автопоезда. Данные расчета: полная масса автопоезда m = 130 т; коэффициент приведения вращающихся масс γ = 0,2; КПД трансмиссии с учетом соб- ственных нужд дизеля η = 0,5; коэффициент сопротивления качению колес f = 0,015; аэродинамический коэффициент k=0,52 Н ∙ ч2⁄км2; суммарный момент инерции дизель-генератора J=180 Н∙ м∙ с2. Рисунок 2.Зависимости Ne(ω) и N(ω) для двух вариантов управления: 1 - пропорциональная зависимость; 2 - с задержкой роста мощности Рисунок 3. Разгон дизель-генератора: 1 - при пропорциональном управлении; 2 - при задержке роста мощности Внешняя скоростная характеристика дизеля Ne(ω) приведена на рисунке 2. Здесь же показаны зависимости для мощности нагрузки N(ω), соответствующие принятым вариантам управления. Расчет начат при N=No= 80 кВт и угловой скорости ω = 110 рад/с, а завершен при ω = 200 рад/с, что соответствует режиму максимальной мощности дизеля. Разгон дизель-генератора рассчитан на основании уравнения (1) путем интегрирования методом конечных приращений. По задаваемому приращению угловой скорости определено приращение времени и остальные параметры. Учитывалось соотношение: . Me - M = 1000 Ne-N ω Значения мощностей Ne и N взяты с графика (рисунок 2) для текущего среднего значе- ния угловой скорости ω. В результате построены временные зависимости ω(t) и N(t), приведенные на рисунке 3. Далее проведен расчет разгона автопоезда с использованием уравнения: F - f m g - k V2 = (1 + γ) dV m , 3,6 dt где: F - сила тяги, определяемая текущей скоростью движения V: N η F = 3600 . V Решение данного уравнения выполнено аналогично путем интегрирования, исходя из задаваемого приращения времени. Значения мощности N взяты по графику N(t) согласно ри- сунку 3. Текущая скорость V на каждом шаге интегрирования приравнивалась начальному значению скорости для этого шага. Чтобы уменьшить погрешность расчета, приращения времени задавались не более одной секунды. Начальное значение скорости Vо определено без учета аэродинамического сопротивления: Vo = Nо η . f m g Результаты расчета приведены на рисунке 4. Рисунок 4. Разгон автопоезда: 1 - при пропорциональном управлении; 2 - при задержке роста мощности Из рисунков видно, что в варианте управления с задержкой нарастания мощности раз- гон как дизель-генератора, так и автопоезда в целом происходит быстрее. Время изменения угловой скорости сокращается до 8 с. А скорость движения к моменту t=24 с больше на 1 км/ч. Улучшение общей динамики разгона транспортного средства с теплоэлектрическим приводом в результате понижения нагрузки двигателя отмечается и в работе [5]. Из данных расчета также следует, что по окончании задержки происходит скачкооб- разное увеличение силы тяги, что может приводить к неприятному для водителя рывку. Од- нако рывок сглаживается большой массой транспортного средства (прирост ускорения по расчету в пределах 0,6 м/с2) и инерцией цепи возбуждения тягового генератора, присутствующей в реальности. При необходимости для сглаживания можно применить дополнительное ограничение темпа роста нагрузки. На практике при наличии тягача и при спокойном варианте вождения резкие переходы по уровню мощности обычно не встречаются. Тем более, что прирост ускорения в переход- ном процессе можно уменьшить, если применить деление диапазона изменения мощности на зоны согласно рисунку1. Наибольший эффект достигается, когда средняя зона берется доста- точно широкой. Существенное ускорение разгона энергоустановки подтверждается данными испыта- ний на реостатном стенде. Дизель-генератор с близкими к расчету параметрами работал на мощный реостат, предназначенный для имитации тяговых электродвигателей. На рисунке 5 приведены осциллограммы изменения угловой скорости ω(t) для трех вариантов управления мощностью. Рисунок 5. Осциллограммы разгона дизель-генератора на стенде: 1 - при пропорциональном управлении; 2 - при задержке роста мощности; при полном снятии мощности нагрузки Здесь угловая скорость изменяется в реальном рабочем диапазоне: от 150 до 200 рад/с. Мощность N - в пределах от 300 до 345 кВт, в соответствии с возможностями стенда. Из ос- циллограмм видно, что нагрузка сильно влияет на время переходного процесса. И даже относительно небольшой ее пропорциональный рост (45 кВт) затягивает процесс на 2,5 с. Следу- ет полагать, что затягивание было бы в несколько раз больше, если конечная мощность нагрузки была бы задана на уровне максимума. Для сравнения отметим, что в экспериментах время разгона двигателя тягача под нагрузкой с минимальной угловой скорости до максимальной при полном нажатии педали акселератора не превышало 2,0 с. На основании данных расчета и эксперимента отдано предпочтение третьему варианту динамической коррекции нагрузки. В целом же предлагаемый способ управления обеспечивает следующие преимущества: повышает экономичность дизель-генератора за счет работы в области малых удельных расходов топлива и сокращения продолжительности переходных режимов, связанных с увеличением угловой скорости; увеличивает ресурс установки в связи с уменьшением времени работы на внешней регу- ляторной характеристике; уменьшает производимый дизель-генератором шум на частичной мощности, что особен- но заметно при маневрировании на площадках ограниченных размеров. Реализация этих преимуществ мало влияет на готовность дизель-генератора принимать задаваемую нагрузку, то есть практически не ухудшает его динамические качества. Определенным ограничением применимости данного способа управления является требование поддерживать заданное напряжение вспомогательного генератора на малой ско- рости вращения. Это обычно приводит к увеличению номинальной мощности генератора, его массы и размеров. Рассматриваемый способ управления может использоваться не только в автопоездах с СДЭА, но и на пневмоколесных транспортных средствах с полнопоточным теплоэлектриче- ским приводом, имеющим большой момент инерции двигатель-генератора.