Развитие теории и методы повышения энергоэффективности однодвигательных тяговых электроприводов автотранспортных средств Нгуен, Куанг Тхиеу

Введение к работе

Актуальность работы. Вредные вещества отработавших газов автомобилей наносят огромный ущерб здоровью людей и окружающей среде. Кроме того, существует угроза энергетического кризиса, поскольку запасы нефтепродуктов ограничены. Радикальное решение эколого-экономических проблем, обусловленных автотранспортными средствами (АТС), заключается в создании принципиально новых типов АТС, обеспечивающих существенное снижение расходов топлива и токсичных выбросов двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Такими АТС в настоящее время признаны стать автомобили с тяговым электроприводом (ТЭП) и с комбинированной энергоустановкой (КЭУ), состоящей из основного источника энергии - ДВС или электрохимического генератора, и бортовых накопителей энергии различной физической природы, таких как тяговая аккумуляторная батарея (ТАБ), емкостный накопитель энергии (ЕНЭ) и т.п.

Идеология снижения расходов топлива и вредных веществ ДВС известна: он должен работать в установившихся режимах или в идеальном случае - на характеристике минимальных удельных расходов топлива. Движение автомобиля при «пиковых» динамических нагрузках, что характерно для городских условий, обеспечивается ТЭП, питаемым, в основном от ТАБ с ограниченной энергоемкостью и мощностью. Следовательно, обеспечение высоких технико- эксплуатационных свойств, таких как энергетическая эффективность, быстродействие, надежность ТЭП, играет ключевую роль при создании новых видов городских АТС.

Вопросами создания и исследования АТС с КЭУ в разное время занимались и занимаются такие ученые, как Ефремов И.С., Бахмутов С.В., Гулиа Н.В., Изосимов Д.Б., Каменев В.Ф., Ксеневич И.П., Кустарев Ю.С., Кутенев В.Ф., Петленко Б.И., Селифонов В.В., Умняшкин В.А., Филькин Н.В., Эйдинов А.А., Ютт В. Е., Яковлев А. И. и многие другие.

Вопросам разработки и совершенствования ТЭП транспортных средств, направленных на повышение эффективности их функционирования, посвящено достаточное количество работ. Значительный вклад в решение общих проблем энергосбережения электроприводов (ЭП), синтеза систем управления ЭП, совершенствования КЭУ, обеспечивающих эффективное функционирование транспортных средств внесли Российские и мировые ученые различных научных школ: Аносов В.Н., Браславский И.Я., Бут Д. А., Ефремов И.С., Ивоботенко Б. А., Ильинский Н.Ф., Иньков Ю.М., Исаев И.П., Лохнин В.В., Петленко Б.И., Пролыгин А.П., Ротанов Н.А., Феоктистов В.П., Шрейнер Р.Т., Щуров Н.И, Ютт. В.Е., Blaschke F., Bose Bimal K., Depenbroek M., Holtz Joachim, Kazmierkowski M.P., Lipo Thomas A., Lorenz R.D., Noguchi T., Takahashi I. и др.

В разработке и создания АТС с КЭУ принимают активное участие ОАО «АвтоВАЗ», ОАО «УАЗ», ОАО «КамАЗ», ОАО «ИжМаш», ФГУП «НАМИ», ФГУП «НИИАЭ», ОАО НПП «КВАНТ», МГТУ «МАМИ», МАДГТУ (МАДИ), НИУ МЭИ, Новосибирский электротехнический университет, и другие производственные и научно-исследовательские организации.

Несмотря на большое количество работ, посвященных созданию АТС с ТЭП, вопросы теоретических и практических исследований, направленных на разработки эффективных систем управления ТЭП, обеспечивающих высокие технико-эксплуатационные показатели новых видов АТС, не получили достаточного развития. Это связано с тем, что создание таких АТС являются основным современным направлением исследования и разработок всех мировых автомобилестроителей. Производители зачастую «закрывают» научную информацию о созданной продукции, что затрудняет дальнейшее совершенствование АТС с тяговым электроприводом.

Таким образом, в настоящее время улучшение эксплуатационных свойств новых видов городских АТС с ТЭП является научной проблемой, а научно- исследовательские и практические работы, направленные на решение данной проблемы, актуальны.

В диссертационной работе рассмотрены два возможных пути повышения энергетической эффективности, быстродействия и надежности однодвигатель- ных ТЭП городских АТС.

Первым из них является рационализация процессов энергопреобразования в тяговой системе городских АТС, что позволяет предельно эксплуатировать ТЭП по перегрузочной способности при минимально возможных потерях. Данный путь требует совершенствования методов управления ТЭП для эффективной эксплуатации привода при реализации больших возможностей современных микропроцессорных средств управления.

Второй путь заключается в применении источников и накопителей энергии различной физической природы для повышения объема электроэнергии, вырабатываемой или накапливаемой на борту автомобиля. В частности, для стран с благоприятным условием солнечного освещения, имеется возможность использования солнечной энергии на АТС для восстановления части энергии, израсходованной ТАБ на обеспечение движения автомобиля.

Цель диссертационной работы: улучшение эксплуатационных свойств автотранспортных средств с тяговым электроприводом путем усовершенствования тяговых электроприводов, комбинированных энергетических установок и способов их управления.

Задачи исследования:

1. Анализ путей улучшения эксплуатационных свойств АТС с ТЭП.

2. Разработка уточненных математических моделей короткозамкнутого асинхронного двигателя (АД) с учетом потерь в стали, позволяющих повысить точность моделирования процессов энергопреобразования в ТЭП.

3. Обоснование и решение задач управления ТЭП на базе АД и синхронного двигателя с постоянными магнитами (СДПМ) по критериям минимума потерь и максимума перегрузочной способности, как основным критериям оптимальности.

4. Разработка систем прямого управления моментом (ПУМ) АД и СДПМ с ши- ротно-импульсной модуляцией (ШИМ) питающего напряжения (систем ПУМ- ШИМ).

5. Разработка наблюдающих устройств для динамической идентификации параметров АД, электрических, электромагнитных переменных величин асинхронным тяговым электроприводом (АТЭП), необходимых для функционирования их систем ПУМ-ШИМ и решения задачи повышения отказоустойчивости ТЭП.

4. 1. Разработка рациональных схем управления АТЭП АТС при нарушении работоспособности различных видов датчиков.

   2. Разработка универсальных систем формирования задающих воздействий для контура регулирования момента тяговых электродвигателей (ТЭД) с учетом ограничений зарядно-разрядных токов и напряжений ТАБ.

   3. Разработка специализированной математической модели солнечной батареи, позволяющей повысить универсальность моделирования тяговой системы АТС при достаточной точности для инженерных расчетов.

   4. Разработка математических и компьютерных моделей систем тягового привода (СТП) АТС с ТЭП, позволяющих провести комплексное исследование взаимосвязей, процессов и технико-эксплуатационных свойств таких транспортных средств.

   5. Реализация разработанных методик исследования в виде комплекса программных средств на ПЭВМ.

   6. Проведение экспериментальных исследований, подтверждающих адекватность разработанных теоретических положений.

   7. Разработка научно-обоснованных рекомендаций практического применения полученных результатов исследований.

   Методы исследования.

   При выполнении диссертационной работы использованы методы теории электрических машин, теории электропривода, теории автоматического управления, теории автомобиля, теории электрической тяги, метод структурного моделирования сложных динамических объектов.

   Исследования проводились с применением пакета прикладного программирования Matlab-Simulink, языка программирования С++. Основные теоретические результаты работы подтверждены экспериментальными исследованиями.

   Достоверность полученных результатов исследования определяется корректностью поставленных задач, обоснованностью принятых допущений, адекватностью используемого математического аппарата и полученных моделей исследуемых процессов. Обоснованность основных выводов и рекомендаций подтверждена экспериментальными испытаниями и внедрением в практику предложенных технических решений. Результаты расчетов и математического моделирования систем тягового привода АТС с ТЭП и КЭУ удовлетворительно совпадают с результатами стендовых испытаний автомобиля УАЗ-3153 «МАМИ» с гибридной силовой установкой (ГСУ), асинхронного электропривода с прямым управлением моментом, стартер-генераторного устройства (СГУ) на базе вен- тильно-индукторной машины (ВИМ), разработанной ФГУП НИИАЭ, и КЭУ, включающей ТАБ и ЕНЭ.

   Основные положения, выносимые на защиту:

   4. 7. 1. Совокупность математических и компьютерных моделей СТП АТС с ТЭП и КЭУ, позволяющих проводить комплексные исследования электромагнитных, электромеханических процессов в ТЭП на базе АД, СДПМ, ВИМ, интегральных показателей КЭУ и технико-эксплуатационных свойств АТС в целом.

         2. Системы прямого управления моментом АД и СДПМ с широтно-импульсной модуляцией питающего напряжения.

         3. Методика управления асинхронным тяговым электроприводом по критериям минимума потерь и максимума перегрузочной способности.

         4. Универсальные системы автоматического формирования задающих воздействий для контура регулирования момента ТЭД с учетом ограничений заряд- но-разрядных токов и напряжений ТАБ.

         5. Концепцию повышения отказоустойчивости системы управления АТЭП при нарушении работоспособности различных видов датчиков в системе.

         6. Результаты экспериментальных исследований и моделирования электромагнитных, электромеханических процессов в СТП автомобиля с ГСУ параллельного типа, в асинхронном электроприводе с ПУМ-ШИМ, в вентильно- индукторном стартер-генераторном устройстве, их основных топливно- энергетических показателей; научно-обоснованные рекомендации по дальнейшему повышению топливной экономичности ГСУ.

         Научная новизна работы заключается в следующем:

         4. 7. 6. 1. Разработана методика ПУМ-ШИМ АД в произвольной ортогональной вращающейся системе координат и СДПМ в системе координат, связанной с ротором. Реализация по предложенной методике системы управления (СУ) АД в неподвижной системе координат, связанной со статором, позволяет упростить структуру СУ электроприводом, снизить объем вычислений для управляющих микропроцессоров. Установлено, что ТЭП на базе АД и СДПМ с предложенной методикой ПУМ-ШИМ имеют:

                  более высокие энергетические показатели по сравнению с ТЭП, управляемыми классическими системами скалярного управления, системами ПУМ с гистерезисными регуляторами момента и потокосцепления статора;

                  высокую динамику и высокую точность регулирования момента и магнитного потока, что позволяет эффективно реализовать оптимальные законы управления ТЭП с учетом ограничений ресурса силовых агрегатов привода.

                  Положительные качества разработанных систем ПУМ-ШИМ в общем итоге позволяет повысить энергоэффективность ТЭП переменного тока.

                  Разработаны универсальные системы формирования задающих воздействий для контура регулирования момента ТЭД при ограничениях зарядно- разрядных токов и напряжений ТАБ, что позволяет эффективно контролировать за состоянием последней и повысить срок ее службы.

                  Предложена концепция повышения отказоустойчивости АТЭП путем комбинирования их рациональных систем управления (частотно-токового, вектор- ного, ПУМ-ШИМ) при отказе различных видов датчиков. При нарушении работоспособности измерительных средств необходимые информации для управления электроприводом восстанавливаются комплексом наблюдающих устройств, разработанных на основе метода скоростного градиента. Данная концепция может быть распространена на ТЭП с СДПМ.

                  Разработана математическая модель солнечной батареи (СБ), адаптированная к транспортным условиям эксплуатации, с учетом изменения скорости движения АТС, освещенности и температуры окружающей среды.

                  Разработана уточненная математическая модель АД с учетом потерь в стали, отличающаяся уменьшением числа параметров по сравнению с моделью, основанной на традиционной Т-образной схеме замещения. Предложенная модель АД позволяет повысить точность моделирования электромагнитных процессов в ТЭП, эффективно решить задачи определения оптимальных законов управления статическими режимами работы АД, упростить задачу идентификации их параметров.

                  Разработан комплекс математических и компьютерных моделей СТП АТС, состоящих из различных типов источников/накопителей энергии (ДВС, ТАБ, ЕНЭ, СБ), электрических машин (АД, СДПМ, ВИМ). В компьютерных программах вложены рациональные методы управления ТЭП, что позволяет оценить их интегральные показатели при различных способах управления.

                  Разработаны научно-обоснованные рекомендации по повышению топливно- энергетических показателей ГСУ параллельного типа.

                  Практическая ценность работы заключается в решении научно- технической проблемы улучшения эксплуатационных свойств АТС путем создания новых эффективных способов управления ТЭП переменного тока, поиска средств увеличения доли участия ТЭП в обеспечении движения транспорта.

                  Внедрение в практику проектирования и создания АТС полной массой до 3,5 тонн разработанных моделирующих алгоритмов и компьютерных программ сокращает сроки и стоимость опытно-конструкторских работ по разработке систем тягового привода АТС.

                  Разработанная система отказоустойчивости асинхронного ТЭП с наблюдающими устройствами, построенными на основе метода скоростного градиента, повышает надежность АТС.

                  Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе для студентов вузов, обучающихся по специальностям «Электроприводы и системы управления электроприводов» и по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнология», а также для аспирантов по специальности 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы».

                  Совокупность полученных теоретических и практических результатов создает объективные предпосылки для расширения области применения и внедрения в практику проектирования разработанных способов управления ЭП с целью повышения энергоэффективности, улучшения динамики и надежности электроприводов переменного тока.

                  Личный вклад автора заключается: в разработке методик прямого управления моментом ТЭП на базе АД и СДПМ, управления АТЭП по критериям минимума потерь и максимума перегрузочной способности с учетом ограничений на ресурсы силовых агрегатов электропривода; в разработке упрощенных математических моделей солнечной батареи, АД с учетом основных видов потерь; в разработке системы динамической идентификации параметров и переменных состояния АТЭП на основе метода скоростного градиента; в разработке математических и компьютерных моделей систем тягового привода АТС с од- нодвигательными ТЭП; в обосновании схемы ТЭП переменного тока, обеспечивающего высокое быстродействие, высокую точность регулирования момента при высокой энергетической эффективности и надежности привода.

                  Автор принимал непосредственное участие в разработке программных средств, в проведении экспериментальных и вычислительных исследований по всем разделам диссертации.

                  Реализация результатов работы. Полученные результаты теоретических исследований по повышению технико-эксплуатационных показателей АТЭП, комплекс программных средств исследования их оптимальных рабочих режимов использованы при разработке системы ТЭП автомобиля УАЗ-3153, созданного МГТУ «МАМИ» совместно с ОАО НПП «Квант». Результаты работы также использованы при разработке автоматизированного электропривода для электроводородного генератора ЭВГ-3 в ОАО «ОМ ЭНЕРДЖИ Лтд», при разработке стартер-генераторных устройств для автомобилей массой до 3,5 тонн в ФГУП НИИАЭ, и в учебном процессе МГТУ «МАМИ». Практические реализации результатов работы подтверждены соответствующими актами.

                  Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на научных конференциях и симпозиумах: Международном симпозиуме «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки кадров», г. Москва, 2000г.; 5-м Международном симпозиуме «Элмаш- 2004. Перспективы и тенденции развития электротехнического оборудования», г. Москва 2004; Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», г. Тольятти, 2004; Международных научно-технических конференциях Ассоциации автомобильных инженеров России «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров», г. Москва 2005, 2007; Международном научном симпозиуме «Автотракторостроение - 2009», г. Москва, 2009; Международной научно-технической конференция Ассоциации автомобильных инженеров «Автомобиле- и тракторостроение в России: Приоритеты развития и подготовка кадров», г. Москва, 2010.

                  Публикация. По теме диссертации опубликовано 58 печатных работ, в том числе 1 монография и 20 статьей в рецензируемых научных журналах, входящих в Перечень ВАК РФ.

                  Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 205 наименований, приложений. Работа содержит 236 страниц машинописного текста, 157 рисунков и 32 таблицы.

                  Похожие диссертации на Развитие теории и методы повышения энергоэффективности однодвигательных тяговых электроприводов автотранспортных средств

                  

                  Развитие теории переходных процессов при замыканиях на землю, разработка методов и средств повышения надежности работы электрических сетей с изолированной и компенсированной нейтральюРыжкова Елена Николаевна

                  

                  Методы и средства повышения энергоэффективности тяговых электроприводов в переходных режимахАль-Равашдех Айман Ясейн

                  

                  Методы и средства повышения эффективности систем тягового электропривода автономных транспортных средствАносов Владимир Николаевич

                  Развитие теории, методы и средства управления и защиты электромеханических систем горных машин с преобразователями частотыБабокин, Геннадий Иванович

                  

                  Развитие теории и комплексные методы повышения эффективности функционирования электрооборудования горных предприятийДорошев Юрий Степанович

                  

                  Повышение эффективности циркуляционных систем горячего водоснабжения средствами регулируемого электроприводаШтин Евгений Николаевич

                  

                  Повышение энерго- и ресурсоэффективности горных машин средствами регулируемого электроприводаСемыкина Ирина Юрьевна

                  

                  Повышение производительности вибрационной щековой дробилки на основе стабилизации синхронно-противофазных колебаний средствами автоматизированного электроприводаТягушев Сергей Юрьевич

                  Развитие теории, разработка и реализация средств математического моделирования для эффективного управления электротехническими комплексами нефтяной отраслиКубарьков, Юрий Петрович

                  Развитие теории, разработка способов и средств повышения эффективности систем электроснабжения горных предприятийУтегулов, Болатбек Бахитжанович