Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Аналитический обзор современных систем пуска автономных энергоустановок транспортных средств и промышленных объектов 16
1.1. Классификация современных систем пуска двигателей внутреннего сгорания (ДВС) транспортных средств 16
1.2. Электрические системы стартерного пуска судовых ДВС 23
1.3. Электрические системы стартерного пуска тепловозных ДВС 30
1.4. Электрические системы стартерного пуска автомобильных и тракторных ДВ С 35
1.5. Перспективы совершенствования устройств облегчения пуска ДВС 39
Выводы 44
Глава 2 Исследования электростартерных систем пуска ДВС транспортных средств 46
2.1. Общие положения 46
2.2. Теоретические исследования систем электростартерпого пуска (ЭСП) судовых дизелей 48
2.3. Математические и структурные модели систем ЭСП с машиной постоянного тока (МПТ) последовательного возбуждения 63
2.4. Математическая модель стартерного электропривода (СЭП) с использованием МПТ смешанного возбуждения 84
Выводы 92
Глава 3 Исследование качественных и энергетических показателей систем стартерного электропривода ДВС 94
3.1. Общие положения 94
3.2. Имитационное моделирование систем пуска (СП) ДВС со стартерным двигателем (СД) последовательного возбуждения 95
3.3. Исследования систем ЭСП ДВС с использованием СД смешанного возбуждения 150
3.3.1. Исследование влияния полного тока ie we СД на качественные показатели СП ДВС 150
3.3.2. Исследование способов увеличения коэффициента использования полного тока СД ie we 164
Выводы 176
Глава 4 Разработка новых направлений совершенствования систем электростартерного пуска ДВС транспортных средств и опытное внедрение 178
4.1. Разработка и моделирование системы ЭСП ДВС с компенсационным регулятором магнитного потока СД 178
4.2. Параметрическая идентификация коэффициентов ПИ - регулятора 203
4.3. Экспериментальные исследования и опытное внедрение 210
Выводы 219
Заключение 221
Список литературы 224
Приложения 237
- Классификация современных систем пуска двигателей внутреннего сгорания (ДВС) транспортных средств
- Теоретические исследования систем электростартерпого пуска (ЭСП) судовых дизелей
- Имитационное моделирование систем пуска (СП) ДВС со стартерным двигателем (СД) последовательного возбуждения
- Разработка и моделирование системы ЭСП ДВС с компенсационным регулятором магнитного потока СД
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие транспортной отрасли напрямую зависит от роста услуг в сфере перевозок пассажиров и грузов. В последние годы темпы роста этих услуг в нашей стране заметно возросли. Связано это с увеличением товарооборота между регионами и повышением загрузки всех видов транспорта - водного, автомобильного и железнодорожного. Из-за отсутствия необходимости промежуточной перевалки грузов и благодаря своей мобильности автотранспорт оказался в более выгодных условиях, чем прочий, поэтому общий грузопоток сместился именно в его сторону. Однако давно известно, что определенные виды перевозок нуждаются в развитии и водного, и железнодорожного транспорта, так как только при их совместном участии становится возможным осуществить эти перевозки с наименьшими затратами.
В Германии за последние 3-4 года прирост пассажирских перевозок на водном и железнодорожном транспорте (ЖДТ) составил лишь 8 %, а объем грузоперевозок, выполненных этими видами транспорта с 1979 по 1997 год сократился с 25,5 до 16,2 % [120]. Приблизительно такое же состояние дел в транспортной отрасли имеет место и в большинстве других европейских стран.
В России эта тенденция приняла угрожающий характер: объем грузопотоков водным транспортом в годовом исчислении с 25-30 млн. т. в 1980 г сократился к 1999 г почти в 2 раза [61].
Не смотря на требования специалистов крупных организаций, занятых в сфере перевозок водным и железнодорожным транспортом, разработать четкую программу оптимального развития транспортной отрасли в целом, Европейская Экономическая Комиссия (ЕЭК) выступает с концепцией свободной конкурентной борьбы на рынке перевозок автомобильным, водным и железнодорожным транспортом соответственно. По мнению многих аналитиков,, такой подход^приведет к неизбежному разрегулированию_рынка транспортных услуг в будущем. Поэтому уже сейчас большое число фирм, производящих судовое и тепловозное оборудование, а также и его обслуживание, сосредоточили усилия, направленные на повышение конкурентоспособности своей продукции.
С другой стороны, _ та же ЕЭК серьезно ужесточила требования в отношении экологичности ДВС, применяемых на транспортных средствах. Прежде всего это относится к объему выхлопов С02, которые на автомобильном транспорте, причем на грузовом особенно, намного опережают те же показатели судовых и тепловозных дизельных установок. Поэтому "регулярно выдвигается требование сместить центр тяжести перевозок в сторону железнодорожного и водного транспорта" [120].
Важнейшим условием развития транспортной отрасли является создание резерва в части эксплуатационного ресурса транспортных средств и повышения надежности всех их систем, что отвечает, прежде всего, требованиям безопасности движения и исключения аварийных ситуаций.
Одной из таких систем транспортного средства, имеющего автономную электрическую станцию, является система пуска (СП) ДВС. В настоящее время наиболее распространенным типом СП ДВС транспортных средств и стационарных промышленных объектов,-имеющих в своем составе автономные энергоблоки, является элсктростартерная система. Электропривод этих систем базируется на использовании машин постоянного тока (МПТ), среди которых большая часть имеет последовательное возбуждение. Причем стартерный электропривод (СЭП) остается в подавляющем числе случаев нерегулируемым, а сама система электростартерного пуска (ЭСП) - разомкнутой по своей структуре.
СЭП постояного тока занимает особое место в энергоустановках транспортных средств. До сих пор подавляющее большинство судовых и тепловозных дизель-генераторов комплектуются системами пуска с МПТ. Главные двигатели судов пускаются стартерами постоянного тока [4, 78, 89]. Наконец карбюраторные двигатели (КД) и дизели автотракторной техники
У также оборудованы электрическими системами пуска с использованием МПТ [37, 55, 66-68, 71, 107, 108].
Широко распространен электростартерный пуск газовых турбин [4, 89] и дизель-генераторных агрегатов, работающих в составе источников бесперебойного питания (ИБП) [37]. При стендовых испытаниях двигателей применяются системы СЭП с МПТ, которые получают питание от выпрямительных установок [25,26].
Тяжелые условия прямого пуска главных двигателей, а также дизель-генераторных установок (ДГУ) большой мощности, в целях повышения надежности запуска, вынуждают применять автономные источники питания стартерных двигателей (СД) с завышенными мощностными и энергоемкостными характеристиками. Но даже и в этом случае заявленный предприятием-изготовителем эксплуатационный ресурс источника сокращается вплоть до 30 % от общего установленного срока службы. Причем в наиболее тяжелых ситуациях оказываются СП, в которых частые пуски ДВС сочетаются с низкотемпературными условиями эксплуатации всего транспортного средства в целом. Более того, большой динамический ток разряда малой длительности вызывает повреждения в узле коллектор - щетки СД и существенным образом сокращает сроки его межремонтных пробегов. Поэтому режимы пуска ДВС методом прямого включения характеризуются высоким износом оборудования - как СБ и СД, за счет режима разряда большой глубины и малой длительности, так и передаточного устройства и самого ДВС, за счет высокодинамичных нагрузок, воздействующих на его коленчатый вал со стороны СД.
Отмеченные условия эксплуатации СЭП ДВС заставляют искать альтернативные подходы к построению и реализации систем ЭСП. В научных разработках последних лет предложен ряд новых способов пуска ДВС, среди которых важно отметить СП, использующие емкостные накопители энергии (ЕНЭ) [66, 68, 71], и софт-стартерный пуск двигателя. Причем рост
10 запатентованных разработок в данной области сопровождается тем, что принцип их действия и эффективность теоретически слабо, а в ряде случаев и некорректно, обоснованы.
Выполненный анализ и названные особенности разработки и эксплуатации систем ЭСП показали, что существует необходимость в создании новой системы СЭП, которая способна удовлетворить весь комплекс противоречивых требований, предъявляемых ко всей СП в целом и к ее составным частям в отдельности. Этим требованиям отвечает предлагаемый СЭП по системе СБ - МПТ смешанного возбуждения, в основу функционирования которого положен принцип компенсации возмущений.
Использованию СД, включаемого по схеме смешанного возбуждения, препятствует эффект размагничивания машины в переходных режимах вследствие связи последовательной и независимой обмоток через его электромагнитное поле [82, 83]. При этом значительно снижается быстродействие электропривода (ЭП), теряется управляемость СД и самое главное - отсутствует возможность воздействия на ток якоря, а следовательно и на ток разряда СБ, путем изменения магнитного потока в независимой обмотке возбуждения (НОВ).
Однако необходимость применения СД смешанного возбуждения диктуется главным требованием к системе ЭСП, и к СБ особенно - снижением разрядного тока автономного источника и улучшением характера отдачи энергии в нагрузку.
Разгрузка автономного источника по максимальному значению тока разряда обеспечивает создание резерва его эксплуатационного ресурса, надежный и безударный запуск ДВС, что сокращает износ передаточного устройства, коленчатого вала и элементов цилиндропоршневой группы (ЦПГ) двигателя. Поэтому предлагаемый способ пуска ДВС с использованием компенсационного регулятора в составе СЭП позволяет осуществить коррекцию магнитного потока СД в процессе запуска, исключить размагничивание машины в электромеханическом переходном режиме и осуществить более чем двукратное (в 2,1 раза) сокращение пикового значения тока разряда автономного источника, при сохранении высокого быстродействия ЭП и управляемости СД в динамике.
Таким образом, объектом исследования в диссертационной работе является система ЭСП судового дизеля, выполненная на базе МПТ смешанного возбуждения, в которой последовательная и независимая обмотки связаны через электромагнитное поле.
Предмет исследования заключается в изучении динамики пуска ДВС с использованием СЭП по системе СБ - МПТ смешанного возбуждения с последующей разработкой корректирующих устройств, применение которых позволяет улучшить качественные показатели и характер переходных характеристик при запуске ДВС. Обобщение результатов исследования позволило сформировать и обосновать пропорционально-дифференциальный (ПД) принцип коррекции магнитного потока МПТ, определить структуру СЭП и осуществить физическую реализацию регулятора в виде стабилизирующего трансформатора невысокой установленной мощности.
Необходимость теоретического обоснования предложенного способа пуска привела к тому, что в работе подробно, и с критической точки зрения, исследован аккумуляторный СЭП по системе СБ - МПТ последовательного возбуждения как с участием ЕНЭ, так и без их привлечения. Выполнен анализ динамических характеристик СП, движение которых описывается линейными и нелинейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентам и.
Среди решенных задач необходимо выделить следующие:
1. Предложено оценивать качество электромеханических переходных процессов с помощью новой системы разработанных показателей, которая диктуется эксплуатационными характеристиками СЭП.
Предложен способ трехэтапного рассмотрения переходного режима пуска, который, во многом, упрощает моделирование систем ЭСП, получение структурных схем и моделей СЭП.
Разработаны и обоснованы способы разгрузки автономного источника по максимальному значению разрядного тока в динамическом режиме пуска ДВС, способы увеличения эксплуатационного ресурса ответственных элементов СЭП, а также мероприятия, направленные на повышение надежности запуска двигателей.
Решен вопрос управляемости СД смешанного возбуждения в динамике.
При проведении исследований динамики систем ЭСП автор основывался на работах В. П. Андреева, Ю. И. Боровских, Л. В. Полтавы, Л. И. Поляшова, Н. И. Радионова, Ю. А. Сабинина, Ю. П. Чижкова, Е. Б. Шумкова.
Одним из перспективных направлений в разработке современных систем СЭП, согласно нашей концепции, является создание системы пуска на базе МПТ смешанного возбуждения. г В соответствии с вышеизложенным, цель настоящей диссертационной работы заключается в разработке и исследовании системы ЭСП судовых ДВС и ДГУ на основе МПТ смешанного возбуждения с компенсацией магнитного потока в НОВ, оптимизацией параметров переходного режима по быстродействию и ограничением разрядного тока автономного источника.
Отсюда вытекают следующие задачи диссертационной работы:
Обзор и сравнительный анализ СП судовых, тепловозных и автотракторных ДВС как карбюраторных, так и дизелей с целью обоснования основных технических требований к новой системе ЭСП.
Разработка математического описания и структурных моделей основных элементов, входящих в состав СЭП ДВС по системам СБ - МПТ последовательного и СБ - МПТ смешанного возбуждения.
Разработка, схемная реализация, математическое описание и моделирование системы ЭСП на базе МПТ смешанного возбуждения с компенсационным регулятором ее магнитного потока в динамике.
Параметрическая идентификация коэффициентов регулятора скорости и нагрузки ДВС.
Апробация результатов исследований и натурные испытания устройства компенсации на ДГУ в эксплуатационных условиях.
Методы исследования. Исследования выполнены методами математического, структурного и имитационного моделирования. Весомую часть исследований занимает эксперимент и натурные испытания. Математические и структурные модели систем ЭСП получены на основе классической теории ДВС и электрических машин, дифференциального, интегрального и операционного исчисления. Задействованы возможности численных алгоритмов. Имитационное моделирование СП выполнено в среде визуального программирования MATLAB 6.0. Там же выполнена параметрическая идентификация коэффициентов регулятора скорости и нагрузки ДВС. Экспериментальная часть исследований выполнена с привлечением общей теории ЭП на ДГУ постоянного тока мощностью 885 кВт.
Научная новизна:
Разработана новая система ЭСП ДВС на базе МПТ смешанного возбуждения с компенсационным регулятором ее магнитного потока в динамических режимах пуска, оригинальность которой подтверждена патентом на полезную модель [84].
Разработаны структурные модели СЭП по системам СБ - МПТ последовательного и СБ - МПТ смешанного возбуждения, в том числе и для систем, использующих ЕНЭ и названный компенсационный регулятор с учетом параметров, зависящих от эксплуатационных условий СП.
14 3. Разработана методика анализа переходного режима в системе СЭП с использованием МПТ смешанного возбуждения и компенсационным регулятором ее магнитного потока при пуске ДВС. Практическая ценность работы заключается в следующем:
Разработана практическая принципиальная схема системы ЭСП на базе МПТ смешанного возбуждения с компенсационным регулятором ее магнитного потока, обеспечивающая снижение максимального значения тока разряда автономного источника в 2,1 раза, повышение его эксплуатационного ресурса и надежности пуска ДВС.
Разработана программа для ЭВМ, которая позволяет исследовать динамику СЭП ДВС в системе СБ - МПТ смешанного возбуждения при наличии взаимосвязанных через электромагнитное поле обмоток последовательного и независимого возбуждения. Оригинальность модели подтверждена свидетельством об официальной регистрации программ для ЭВМ [80].
Разработана программа для ЭВМ, которая позволяет исследовать динамику новой системы ЭСП на базе МПТ смешанного возбуждения при различных параметрах компенсационного устройства,.. Оригинальность модели подтверждена свидетельством об официальной регистрации программ для ЭВМ [81].
Разработан опытно-промышленный образец СЭП по системе СБ - МПТ последовательного возбуждения с промежуточным регулятором напряжения дискретного типа.
На защиту выносятся следующие результаты:
Принцип действия, структура и практическая реализация СЭП по системе СБ - МПТ смешанного возбуждения с компенсационным регулятором ее магнитного потока в переходном режиме пуска ДВС.
Методика анализа электромагнитных и электромеханических переходных процессов в СЭП по системам СБ - МПТ последовательного и СБ - МПТ
15 смешанного возбуждения с учетом параметров, зависящих от эксплуатационных условий СП и поэтапного рассмотрения процесса пуска.
Результаты анализа электромагнитных и электромеханических переходных процессов в системах СБ - МПТ последовательного и СБ - МПТ смешанного возбуждения с использованием разработанных программных моделей и соответствие последних системам-оригиналам.
Структурные схемы и имитационные модели для исследования динамики пуска ДВС в СЭП по системам СБ - МПТ последовательного и СБ - МПТ смешанного возбуждения, в том числе и с компенсационным регулятором магнитного потока СД.
Апробация работы. Основные положения, результаты, выводы и рекомендации диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях и научно-технических советах: юбилейной научно-технической конференции, посвященной 70-ти летию со дня основания ГИИВТа (ВГАВТ, Н. Новгород, 2000 г.) XX Научно-технической конференции "Актуальные проблемы электроэнергетики" (НГТУ, Н. Новгород, 2001 г.) на семинарах профессорско-преподавательского состава (ВГАВТ, Н.Новгород, 2001-2005 г.)
На научно-техническом совете НО ВНИИЖТа (ВНИИЖТ, Н. Новгород, 2005 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ [32, 33, 34, 80 -84, 109, 111], в том числе 2 свидетельства на программы для ЭВМ [80, 81] и патент на полезную модель [84].
Классификация современных систем пуска двигателей внутреннего сгорания (ДВС) транспортных средств
СП главных двигателей, главных, резервных, аварийных ДГУ и ГТУ различных транспортных средств, аварийных ДГУ стационарных промышленных объектов могут классифицироваться по нескольким признакам. В литературе [25, 26, 37, 78, 107] наиболее распространено разделение СП по роду энергии, используемой в них, и резервируемой в накопителях. Тип СП ДВС определяется также и конструкцией самого пускового устройства. Род энергии определяет конструкцию накопителя, а необходимая мощность СП -его энергоемкость.
Наихудшими пусковыми свойствами обладают двухтактные КД и предкамерные дизели, наилучшими - все дизели, которые имеют наименьшую поверхность камеры сжатия и наибольшую степень сжатия є, т. е. дизели с непосредственным впрыском [26]. Несколько хуже пускаются дизели с вихревым смесеобразованием и четырехтактные КД. При повышении числа цилиндров и тактности процесс пуска заметно облегчается, что объясняется снижением неравномерности частоты вращения коленчатого вала [55,107].
Под надежным пуском ДВС подразумевается пуск, осуществленный не более чем за 3 попытки и продолжительностью, которая определяется типом СП. Надежный пуск оценивается по температуре окружающего воздуха. Причем температура узлов и деталей ДВС, охлаждающей жидкости и моторного масла, за исключением низкотемпературного пуска (ниже 0С), не должна отличаться от температуры окружающего воздуха более, чем на 1С, а электролита СБ - на 2С [ 1 OS].
В системах пневматического пуска накопителями служат сосуды высокого или низкого давления, начальное значение в которых для судовых ДВС в последнем случае колеблется приблизительно от 2,4 до 3 МПа, в зависимости от конструкции дизеля и особенностей СП. При использовании накопителей высокого давления подвод воздуха к ДВС осуществляется с пусковым давлением 1-1,6 МПа. Энергоемкость накопителей должна быть достаточной для осуществления серии из: 4-6 последовательных пусков нереверсивного ДВС или 12 пусков реверсивного, без промежуточной подкачки и с возможной потерей начального давления в накопителях до 50 % от номинальной величины [78, 85]. При воздушном пуске продолжительность подачи воздуха не должна превышать 12 с [93]. В судовых системах ДАУ выдержки времени на продолжительность попытки пуска устанавливаются 3-Ю с, пауз между попытками - 3 с [4].
В мало- и среднеоборотных дизелях большой мощности почти исключительно используется цилиндровый пуск с подачей воздуха через автоматические пусковые клапаны. Кинематический пневмопривод используется для пуска вспомогательных судовых дизелей. Такой СП комплектуются и земснаряды последних разработок. Меньшая распространенность кинематических систем обусловлена их низким результирующим КПД, однако и цилиндровый пуск не лишен недостатков. Как отмечено в [25, 47] в цилиндрах наблюдается резкое повышение давления до величины 1,5 pz и даже выше, особенно при одновременной подаче в цилиндры пускового воздуха и впрыскивания топлива. Сильное охлаждение пускового воздуха при ходе расширения способствует появлению трещин в нагретых деталях камеры сгорания при пуске горячего ДВС и затрудняет воспламенение топлива при пуске холодного. Тем не менее, цилиндровый пуск весьма широко распространен, как в качестве основной системы, так и дублирующей, главным образом, на форсированных высокооборотных ДВС. К числу общих недостатков обеих систем, использующих пневматические накопители (ПН), следует отнести большую массу оборудования, большие - до 50 %, потери в трубопроводе, а также необходимость иметь в наличии компрессор для заряда накопителей, который, довольно часто, выполняется навесным, создавая дополнительную нагрузку при пуске. Для обеспечения возможности пуска ДВС при любом положении коленвала подвод воздуха должен осуществляться не менее чем к 4 цилиндрам у двухтактных ДВС и не менее чем к б - у четырехтактных. Этот недостаток приобретает особую значимость для судовых двигателей и всех ДВС, оборудованных системой ДАУ. Преимущества пневмопривода раскрываются в возможности создания большого пускового момента и способности накопителей обеспечить уверенную отдачу энергии в широком диапазоне температур.
В системах газо-гидравлического пуска в качестве рабочего тела используются специальные жидкости, не замерзающие при температурах до минус 50С. Энергия, расходуемая на пуск, аккумулируется в газо-гидравлическом накопителе (ГГН) - сосуде высокого давления с подвижным поршнем или диафрагмой. Рабочее тело вытесняется из накопителя в гидравлический двигатель под воздействием давления на диафрагму, оказываемым сжатым газом. В накопителях, как правило, используется технический азот, а в качестве рабочего тела - смесь дизельного топлива с машинным маслом.
Величина необходимого давления в ГТН зависит от конструкции гидростартера и, в определенной степени, от мощности пускаемого ДВС. В автомобильных гидравлических двигателях с плунжерно-реечной передачей и однократным ходом плунжеров, для эффективной работы системы нужно иметь давление 30-34 МПа, что в несколько раз выше, чем в системах пневматического пуска. В конструкциях гидравлических двигателей с аксиально-плунжерным ротором эта величина несколько ниже: 20-23 МПа. Более высокие рабочие давления в ГГН способствуют увеличению пусковой мощности, но вместе с тем требуют тщательнейшей обработки деталей для поддержания необходимого уплотнения, как в самом накопителе, так и во всей системе. Применение газо-гидравлических систем пуска ограничено, главным образом, автомобильным транспортом [107]. Не смотря на это, интерес к ним сохраняется постоянным, благодаря высокому эксплуатационному ресурсу, достигающему 10-ти лет, малой стоимости и возможности пополнения энергии вручную. Кроме этого, в том же источнике справедливо отмечается, что температура окружающей среды мало влияет на их характеристики, что особенно ценно при пуске ДВС в условиях пониженных температур. Их недостатки проявляются в повышенных массогабаритных показателях устанавливаемого оборудования, сложности ухода за гидравлическими двигателями и невысоком КПД.
Теоретические исследования систем электростартерпого пуска (ЭСП) судовых дизелей
Электростартерные СП ДВС различных транспортных средств, не имеющие в своем составе промежуточных пусковых двигателей (КД, двигатели Стирлинга) и базирующиеся на использовании МПТ, могут быть представлены одной общей функциональной структурой. Поэтому исследование динамики пуска в системах данного класса может быть выполнено на основе общего математического описания.
Поскольку первичные двигатели энергетических установок рассматриваются как объекты регулирования скорости, а передаточные функции регуляторов, за редким исключением, однотипны (ПИ или ПИД структура) [45, 48], математические модели контура стабилизации угловой скорости вала дизельных, карбюраторных и газовых двигателей принципиальных отличий не имеют.
Математическая модель СЭП должна отражать важнейшие свойства, присущие оригиналу, не должна учитывать второстепенные, затрудняющие решение [28, 31, 122] и может быть сформирована при помощи дифференциальных уравнений динамики [9, 62, 91, 101, 115] или передаточных функций [31, 99, 121], поэтому далее целесообразно наложить следующие ограничения: 1. Магнитный поток, создаваемый последовательной обмоткой возбуждения СД изменяется пропорционально току якоря, Фм К 1а т- е- насыщение магнитной цепи СД отсутствует. 2. Коэффициент пропорциональности цепи якоря ка есть постоянная величина, инвариантная току нагрузки ia. 3. Напряжение на внешних зажимах автономного источника определяется выражением и }В=ирц -ia-rnom и не зависит от температуры окружающей среды и числа последовательно выполненных пусков. Отсюда следует, что ниже рассматриваются в основном линейные, стационарные, детерминированные системы, движение которых описывается линейными системами дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами. Для облегчения анализа пускового процесса и динамических характеристик системы СЭП, первый разбивают на несколько стадий [4, 55, 107, 108]. Причем для изучения электромагнитного и электромеханического переходного режима моделирование системы ЭСП, целесообразно выполнить, разбив пусковой процесс лишь на 3 этапа [83]. Трехэтапное разделение переходного режима предполагает неразрывное рассмотрение динамики пуска, при котором величины представляют собой непрерывные функции времени, а показатели качества в контуре стабилизации угловой скорости коленчатого вала ДВС и регулирования разрядного тока автономного источника оцениваются раздельно.
На первоначальном полуинтервале времени дизель является нагрузкой МПТ и представляется нелинейным реактивным моментом сопротивления- движению Мс. На втором полуинтервале наряду с создаваемой нагрузкой, ДВС развивает движущий момент, направленный на преодоление сопротивления движению и совпадающий по знаку с моментом на валу СД. Начиная с данного этапа, ДВС выступает независимым источником момента. Характер формирования этого момента определяется динамическими свойствами всережимного регулятора скорости и нагрузки ДВС. Однако переходные процессы как в СД, так и в ДВС рассматриваются неразрывно, поскольку имеет место их совместная работа на один вал - непосредственно на коленчатый вал, двигателя и через ПУ, стартера. На заключительном полуинтервале времени вал СД разобщается с валом ДВС и переходные процессы в них рассматриваются раздельно. Такое рассмотрение переходного режима пуска обеспечивает качественное упрощение структуризации моделей и одновременно высокую сходимость полученных теоретических результатов с экспериментальными, т. е. адекватность модели системе-оригиналу.
Математическая модель СЭП судового дизеля должна содержать дифференциальные уравнения динамики, отражающие физические процессы в объекте регулирования (ОР) и важнейших элементах системы ЭСП, состав которых определяется функциональной структурой привода. Среди таких элементов необходимо выделить: автономный источник, СД, ПУ, дизель, валопровод, гребной винт, регулятор скорости и нагрузки ДВС, накопители. При этом часть параметров, характеризующих перечисленные элементы, может быть рассчитана аналитически, часть - получена экспериментальным путем. Некоторые величины могут быть определены в процессе моделирования методом параметрической идентификации [30].
Стартерная батарея. Для того, чтобы математическая модель СЭП корректно отражала динамические свойства системы-оригинала, в ее структуру необходимо ввести элементы (функциональные зависимости), учитывающие особенности источников энергии ограниченной мощности - мягкость внешних (разрядных) характеристик и зависимость внутреннего сопротивления от режима разряда. В роли таких зависимостей, чаще всего, выступают выражения, описывающие ВАХ источника. ВАХ СБ существенно нелинейны, поэтому для их описания используют либо зависимости, вытекающие из схем замещения [8], либо аппроксимирующие функции, описывающие экспериментально снятые характеристики источника [17, 43]. Последний способ более распространен ввиду наилучшей сходимости теоретических результатов с экспериментально полученными данными [114]. Высокой адекватности моделей системам-оригиналам, содержащим автономные источники, можно достичь, совмещая описанные подходы, когда ВАХ СБ представляется простым выражением: иІЇВ=ирц-іа-гпт [8, 17, 41].
Такое представление основывается на том факте, что внутреннее сопротивление источника является, в большинстве случаев, функцией его разрядного тока: rRm=f(iCH), которая аппроксимируется полиномами невысокой степени. Поскольку схемы замещения источников определяются режимом их разряда [8], а параметры непостоянны и зависят от многих факторов, использование экспериментальных данных в аппроксимирующих выражениях становится определяющим. Таким образом, внутренняя структура автономного источника должна содержать обратную связь по току разряда, которая аналогична внутренней обратной связи по ЭДС в СД.
С учетом сказанного, тепловые потери внутри СБ полностью определяются эквивалентным активным сопротивлением rnorrL, которое является функцией тока разряда в явном виде. Прочие энергетические параметры рассчитываются по выражениям известным из теории вторичных источников тока [17,41,43] и общей теории энергосистем [93].
Имитационное моделирование систем пуска (СП) ДВС со стартерным двигателем (СД) последовательного возбуждения
Передаточные функции звеньев исследуемой системы полностью определяют ее динамические свойства, поэтому методы структурного моделирования и методы, использующие приемы численного интегрирования - равнозначны. Однако использование передаточных функций позволяет легко получить частотные характеристики системы, оценить качество переходных процессов по частотным критериям [60,121] и выполнить синтез корректирующих устройств, воспользовавшись методом размещения полюсов и элементами метода корневого годографа [11, 52,117]. Поэтому предпочтение должно быть отдано технологии имитационного моделирования структурными методами [31, 65].
Теоретические исследования и моделирование систем СЭП в настоящей главе выполнены в срёДё визуального программирования MATLAB 6.0. структурными методами [23, 30, 31, 122], средствами пакетов Simulink 4 и Power system blockset 2.1. Для анализа систем в частотной области использованы возможности пакета Control system toolbox 5.0. Решение систем дифференциальных уравнений выполнено методами Розенброка и Адамса, Привлечение численных методов осуществлено совместно с объектно-ориентированным подходом при реализации моделей в среде Microsoft Visual Studio 6.0. [14, 24]. Построение их структур формализовано в соответствии с принципами множественности и агрегирования [23], что позволило изучить различные свойства систем-оригиналов при минимальной трансформации самих схем моделей, во-первых, и их параметров, во-вторых.
Синтез имитационных моделей выполнен в соответствии с алгоритмическими структурами СЭП, разработанными в главе 2. Численные значения коэффициентов приведены в приложении П.1. и экспериментальной части главы 4. Все показатели качества рассматриваемых СП, а также их энергетические параметры сведены в общую таблицу З.1., приведенную в конце настоящей главы.
Теоретические кривые переходного режима пуска характеризуются показателями качества, по которым оценивают качество регулирования выбранным объектом в САР. Объект управления является неизменяемой частью, поэтому переходные характеристики в САР напрямую зависят от его динамических свойств, которые определяются видом его передаточной функции.
Объект управления является сложным элементом, состоящим из ДВС с внутренним контуром регулирования угловой скорости и СД с внутренней обратной связью по ЭДС. При этом основной координатой, по которой судят о достижении цели управления, является угловая скорость коленчатого вала дизеля -uw.
Систему СЭП совместно с ДВС по своей структуре можно представить в виде двух контуров - замкнутого контура стабилизации угловой скорости, который включает в себя ОР и собственно регулятор координаты о)диз_ и контур регулирования тока ідв, который может быть как замкнутым (системы стабилизации по отклонению), так и разомкнутым (системы компенсации по возмущению). Для обобщенного анализа характеристик переходного режима целесообразно рассматривать показатели качества регулируемых координат раздельно. В первом случае качество регулирования оценивается по общепринятым показателям, характерным для большинства САР, снабженных отрицательной обратной связью [118]: перерегулированием, колебательностью, временем регулирования, статической точностью и другими. В последнем - понятие перерегулирование не имеет смысла, поэтому качественную сторону динамических характеристик целесообразно оценивать непосредственно максимальным значением и временем приложения данного воздействия к элементам системы: максимальным (пиковым) значением и временем тока разряда автономного источника, максимальным значением и временем протекания тока якоря СД и т. д., т. е. теми показателями, которые характерны для оценки переходных процессов по возмущающему воздействию. В системах СЭП, содержащих замкнутый контур регулирования тока iGB, показатели качества также целесообразно представить в виде абсолютных значений, что необходимо для сопоставления и обобщения полученных результатов. Кроме этого, в системах с источниками питания ограниченной мощности особое значение приобретают энергетические показатели привода, важнейшие из которых потребляемая за время пуска электрическая мощность - PGB и среднепусковой КПД СЭП - цср,. Последний показатель является интегральной оценкой эффективности всего СЭП в целом, а максимальное значение мощности PGB - лимитирует наименьшее необходимое значение потребляемой мощности всей СП.
Имитационная модель СЭП ДГУ с автономным источником изображена на рис. 3.1. Структура СП содержит элементы пакета Power system blockset 2.1., моделирующие силовую цепь привода и элементы пакета Simulink 4, с помощью которых образован контур стабилизации угловой скорости ДВС, контур обратной связи по току разряда СБ и система управления идеальным источником напряжения, который моделирует противо ЭДС СД. Реактивный нелинейный момент сопротивления привода представлен подсистемой Mst_control, блоками Switch_2, Switch_3, Constant ! и ConstantJS в соответствии с выражением (2.40).
Разработка и моделирование системы ЭСП ДВС с компенсационным регулятором магнитного потока СД
Однако в СП главных дизелей или ДГУ необходимо соблюсти еще и временные параметры пускового процесса. Поскольку время выхода ДГУ в установившийся режим устойчивой работы определяется как сумма времени раскрутки коленчатого вала дизеля до пусковой частоты вращения и времени регулирования в контуре стабилизации его угловой скорости: tm_ = tnycK, + tp_, а типовые значения величины tp_, как правило, составляют 8 - 10 с, то предельное время работы СД составляет приблизительно 5 - 7 с. Поэтому дальнейшее затягивание пускового процесса может привести к выходу величины tcau за установленный Регистром 15-ти секундный лимит, что недопустимо. Принимая во внимание это соображение, заключаем, что предельное значение разгрузки автономного источника по максимальному току потребления для данной СП не может превышать значения в 1000 А.
Однако при всех достоинствах адаптационного алгоритма управления регулирующим органом прерывателя системы такого класса не свободны от одного крупного недостатка, который заключается в том, что выбранный способ ограничения и стабилизации разрядного тока автономного источника основывается на косвенном воздействии управляющей переменной на регулируемую. Иными словами, стабилизация тока происходит не за счет действия непосредственно сигнала рассогласования, а за счет выработки импульсным регулятором управляющего воздействия в функции отклонения. Этого отрицательного качества лишена следящая система релейного типа, принцип стабилизации в которой основан на непосредственном воздействии отклонения на регулируемую координату. Для этого непрерывная линейная часть охватывается жесткой обратной связью через нелинейный двухпозиционный РЭ с настраиваемыми границами переключения. При этом GTO - ключ выступает не только РО, но и усилителем управляющего сигнала рассогласования, алгоритм переключения которого является функцией нагрузочного тока.
Выбранная структура контура стабилизации позволяет достичь высокой динамической точности и разряда СБ практически постоянным током строго заданной величины благодаря двум основным факторам -малой постоянной времени цепи якоря и функционированию обратной связи только после вхождения регулируемой величины в зону, диапазон которой определен пороговыми уставками переключений двухпозиционного РЭ [2, 90]. Кроме этого, пуск при постоянном электромагнитном моменте стартера делает возможным сохранение и других положительных качеств СП, в которой реализован адаптационный алгоритм управления прерывателем -плавный разгон привода до скорости 6 . и исключение недопустимых динамических усилий при передаче вращающего момента от вала СД к коленчатому валу ДВС.
Переходные характеристики пуска ДВС в СП, снабженной двухпозиционным РЭ в цепи обратной связи тока нагрузки показаны на рис. 3.27. Анализируя полученные графики важно отметить высокое быстродействие ЭП, отсутствие перерегулирования в контуре стабилизации нагрузочного тока и высокую степень разгрузки автономного источника по максимальному значению тока разряда, максимальная величина которой, в абсолютном выражении, составляет 950 - 1000 А. Поддержание электромагнитного момента МПТ на первом этапе пуска в квазиустан овившемся состоянии с требуемым уровнем пульсаций обеспечивает раскручивание коленчатого вала ДВС до скорости сопуас практически по линейному закону и ограничивает угловое ускорение вала на низком уровне. При этом разрядная емкость автономного источника ниже, а среднепусковой КПД СЭП выше, чем одноименные показатели СП с адаптационным алгоритмом управления ,GTO - ключом.
Во всех системах ЭСП, базирующихся на МПТ последовательного возбуждения и использующих принцип регулирования по отклонению, существует однозначная связь между степенью разгрузки СБ, максимально требуемой мощностью СП, с одной стороны, и временными параметрами пускового процесса, с другой. Для двух вариантов рассмотренных ранее алгоритмов управления GTO - модулем, эти зависимости представлены на рис. 3.28. При одинаковых уставках РЭ и параметрах тактового генератора МДИ, ясно видно, что сужение временных границ выхода ДВС в устойчивый режим самостоятельной работы жестко лимитирует как возможности разгрузки автономного источника по току потребления, так и возможности СП по снижению ее номинальной установленной мощности. Поэтому для каждого автономного СЭП с МПТ последовательного возбуждения существует граница, определяющая предельные параметры разгрузки СП и ее элементов выше которой обеспечить ее функционирование, с требуемыми временными характеристиками, невозможно. Отсюда следует, что повысить степень разгрузки СБ с сохранением высокого быстродействия ЭП можно только используя положительные свойства МПТ смешанного возбуждения.
Похожие диссертации на Судовые энергетические установки с улучшенными параметрами электростартерного пуска дизеля
