Содержание к диссертации
Введение
1.Современное состояние вопроса и задачи исследования 12
1.1. Анализ нерациональных потерь мощности на выполнение механизированных процессов сельскохозяйственными агрегатами при неустановившейся нагрузке 12
1.2. Показатели, характеризующие эффективность энергетических процессов функционирования СХА 24
1.3. Анализ методов энергетического анализа динамических подсистем 32
1.4.Повышение реализуемости энергетического потенциала сельскохозяйственных агрегатов 45
1.5. Цель и задачи исследования 59
2. Теоретические основы оценки и управления энергетическими процессами сельскохозяйственных агрегатов 62
2.1 . Методология оценки динамики и управления энергетическими процессами сельскохозяйственных агрегатов 62
2.2.Связь интегральных и вероятностных характеристик энергетической цепи 67
2.3 Оценка реактивных потерь мощности в переходных режимах 80
3. Разработка математических моделей энергетических цепей динамических подсистем СХА 89
3.1. Метод энергетических цепей для идентификации динамики систем сельскохозяйственных агрегатов 89
3.1.1 .Аналогии механических цепей 90
3.1.2.Соотношения между энергетическими параметрами в многоканальной цепи 98
3.2. Энергетические цепи с нелинейными звеньями 101
3.2.1 . Механическая цепь теплового двигателя с регулятором Уатта и ее линеризация 101
3.2.2. Динамические процессы при постоянной нагрузке (/7 = 0) 105
3.2.3. Эффект запаздывания 108
3.2.4. Переходные процессы в системе "Тепловой двигатель- механический регулятор" 109
3.3. Моделирование определяющих систем ДВС 120
3.3.1. Моделирование потерь от давления газовых сил на поршень в кривошипно-шатунном механизме 120
3.3.2.Моделирование динамических процессов в турбокомпрессоре тракторного дизеля 130
3.3.3 .Моделирование топливоподачи дизеля 138
3.4. Моделирование дизель-генератора с микропроцессорным регулятором топливоподачи 146
3.5.Энергетические цепи электрических согласующих устройств 152
3.5.1. Энергетическая цепь синхронного генератора 152
3.5.2.Энергетическая цепь асинхронного двигателя 163
3 .б.Моделирование насосных нагрузок 167
3.6.1.Моделирование динамики гидропривода поршневого насоса 167
3.6.2.Энергетическая цепь центробежного насоса и гидравлической сети 171
3.7.Энергетическая цепь электропривода центробежного насоса с автономным источником ограниченной мощности 175
4. Программа, методика и результаты экспериментальных исследований 185
4.1. Задачи, реализуемые автоматизированными системами экспериментальных исследований 186
4.1.1. Структура АСНИ 187
4.1.2. Комплекс "АКиУЭП" 190
4.1.2. Лабораторная установка 191
4.1.3. Обоснование числа каналов и параметров АЦП 201
4.1 АОпределение числа разрядов АЦП 202
4.2. Поверка измерительной аппаратуры 205
4.3. Экспериментальные исследования 209
4.3.1. Планирование эксперимента 209
4.3.2.Идентификация экспериментальных зависимостей и моделей 210
4.4.Результеты оценки ЭП и управления энергетическими процессами СХА.211
4.4.1. Эконометры 212
4.4.2. Энергоконтролирующие системы 213
4.4.3. Демпфирующие устройства 243
4.4.4. Регуляторы 244
5. Устройства, реализующие ЭП СХА 253
5.1. Электромеханическая саморегулирующаяся трансмиссия МЭС 253
5.2. Измерение крутящего момента сельскохозяйственных агрегатов 263
5.3. Гашение пульсаций и измерение давлений в энергетических цепях 270
5.3.1.Измерение параметров продуктов сгорания в цилиндрах тепловых двигателей 270
5.3.2. Устройство для изменения степени сжатия в цилиндре ДВС с гашением колебаний давления и коррекцией температуры 274
5.3.3.Устройство для гашения колебаний давления в трубопроводах 276
5.4. Расчет технико-экономической эффективности от применения разработанных средств реализации ЭП СХА 281
5.4.1. Общая методика 281
5.4.2. Расчет экономической эффективности от применения микропроцессорного регулятора 283
5.4.3. Расчет экономической эффективности от демпфирующего устройства мобильного агрегата с трактором МТЗ-80 287
5.4.4. Расчет экономической эффективности от применения программного комплекса АКиУЭП СХА 288
Заключение 291
Библиографический список 295
Приложения 312
- Анализ нерациональных потерь мощности на выполнение механизированных процессов сельскохозяйственными агрегатами при неустановившейся нагрузке
- Методология оценки динамики и управления энергетическими процессами сельскохозяйственных агрегатов
- Механическая цепь теплового двигателя с регулятором Уатта и ее линеризация
- Электромеханическая саморегулирующаяся трансмиссия МЭС
Введение к работе
Особенностью развития современного сельскохозяйственного производства является повышение уровня его технической оснащенности. При этом повышение производительности труда предполагается обеспечить за счет его энерговооруженности и энергообеспеченности гектара пашни. За последние 10 лет в России энерговооруженность и энергообеспеченность существенно снизились практически по всем регионам. К примеру, в Республике Мордовия (РМ) энергообеспеченность в 2000 г. снизилась по отношению к 1993 г. в 1,6 раза и составила 1,32 кВт/га пашни, а энерговооруженность по отношению к этому периоду - в 1,4 раза и составила 29,41 кВт (40 л.с.) на 1 работника.
Учитывая актуальность проблемы, разработана Стратегия машинно-технологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции на период до 2010 г., которая обсуждена на специальной научной сессии Россельхозакадемии в октябре 2003 г. [178, 255]. Стратегия предполагает существенную модернизацию и расширение парка машин. При этом парк тракторов в России к 2010 г. стабилизируется на уровне 0,95 - 1,1 млн. шт. (в 2002 г. было 745 тыс. шт. тракторов), а в РМ выйдет на уровень 8,9 -10,5 тыс. шт. (в 2002г. было 6993 шт. тракторов). Снижение количества машин в парке будет компенсироваться увеличением мощностей сельскохозяйственных агрегатов (СХА). При этом суммарная мощность тракторного парка России будет оцениваться примерно в 169,1 млн. кВт, а в РМ - 1441,2 тыс. кВт. Средняя мощность трактора в парке - 147 кВт, вместо 58,8 кВт в существующем парке машин (в 2002 г. в РМ средняя мощность трактора составила 80,5 кВт).
Парк зерноуборочных комбайнов предполагается стабилизировать на уровне 210 - 250 тыс. шт. (в 2002 г. было 58 тыс. комбайнов), в регионе 1800-2000 шт. (в 2002 г. было 513 комбайнов). На рынке комбайнов наибольшим спросом будут пользоваться комбайны с пропускной способностью 5-6 кг/с с двигателем мощностью порядка 132,4 кВт. Общая мощность зерноуборочных комбайнов составит около 44,1 млн. кВт. Общая мощность перспективного парка энергетических машин для сельского хозяйства оценивается в 220,6 млн. кВт. (без автомобильного парка и специальных машин), что энергетически обеспечивает каждый гектар пашни мощностью около 2.2. кВт.
Стратегия предполагает увеличение мощности парка тракторов и комбайнов в регионе с 869,9 тыс. кВт. до 1679,4 тыс. кВт, т.е. в 1.93 раза, в среднем по России увеличение предполагается еще больше и составит 3,83 раза. Это потребует дополнительного привлечения энергоносителей и в первую очередь дизельного топлива и природного газа. Вместе с тем, при существующем подходе к конструктивным решениям СХА, потери мощности при неустановившейся нагрузке, как бы уже заложены на уровне 20 % (по отношениям инерционных и активных сопротивлений). Кроме того, из-за несовершенства САР поддержания технологических параметров агрегата, вероятностные процессы изменения нагрузки практически на всех технологических операциях приводят к дополнительным динамическим потерям, которые также оцениваются на уровне 20 %. Таким образом, агрегаты обладают энергетическим потенциалом (ЭП), который связан с наличием в СХА реактивных, не согласованных между собой звеньев (элементов); несовершенных систем автоматического регулирования двигателей внутреннего сгорания; передачей мощности от двигателя к нагрузке по нескольким каналам; колебательным характером нагрузки и др.
Из сказанного следует, что в сельскохозяйственные агрегаты уже изначально заложено недоиспользование ЭП, которое зависит от единичной мощности энергетического средства и динамических свойств агрегата. С увеличением единичной мощности энергетического средства в перспективе с 80,5 кВт до 147 кВт. недоиспользование ЭП снижается за счет уменьшения соотношения инерционных и активных сопротивлений энергетической цепи и более плавной работы теплового двигателя.
Воспользовавшись приведенными выше соображениями с учетом исследований ВИМ и РАСХН показывающих, что около 70 % поставляемых сегодня на рынок мобильных сельхозмашин обеспечивают загрузку их ДВС в среднем лишь на 61 %, получим ЭП в среднем по России в размере 10930 МВт, а по РМ - 252 МВт. В процентном отношении ЭП СХА соответственно составит для России 24,75 и для РМ - 21,3 %.
Переход к выпуску тракторов с двухуровневой мощностью в ближайшей перспективе отразится на изменении ЭП СХА согласно [255]. Даже принимая загрузку агрегатов 100 %, при двухуровневой мощности ЭП СХА имеет тенденцию к увеличению до 27,8 % [178].
Следующим важнейшим направлением Концепции развития сельскохозяйственных энергетических средств является развитие системы передачи силовых потоков и новых компоновочных схем. Основным требованием здесь является исключение возможности взаимного влияния каналов передачи мощности, приводящим увеличению ЭП. Для реализации данного направления с уменьшением потерь мощности компоновочные схемы должны быть увязаны с новыми "мягкими" трансмиссиями. Увеличение единичной мощности энергетического средства и применение блочно-модульных схем ведет к увеличению коэффициента загрузки, а следовательно к снижению ЭП. Вместе с тем применение бесступенчатых многопоточных трансмиссий ведет к снижению реактивных потерь за счет их наилучшего согласования. Однако применение нескольких силовых потоков может привести к увеличению ЭП из-за взаимного влияния каналов передачи мощности.
Эти резервы могут быть реализованы за счет широкого и быстрого внедрения в производство наукоемких технологий, техники и передового опыта. Задача экономии энергоресурсов выдвигает на передний план задачу создания энергосберегающей техники. Решение этих задач во многом зависит от эффективности работы отраслевой сельскохозяйственной науки, центров во внедрению новой техники и технологий. В процессе создания новой техники значительный удельный вес приходится на экспериментальные исследования по энергетической оценке. Они требуют огромных затрат времени и средств. Сокращение объемов экспериментальных исследований, а значит и сроков разработки новой техники, снижения приведенных затрат можно достичь применением эффективных теоретических методов энергетического анализа, усовершенствованием методов проектирования. Это обусловлено, главным образом тем, что современный СХА представляет собой многопоточную энергетическую цепь, включающую звенья различной физической природы, связанных между собой обратными связями, оснащенными САР. В данной ситуации проблема видится в том, что в распоряжении специалистов нет универсальных инженерных методов расчета энергетических процессов, позволяющих на стадии проектирования СХА учитывать влияние динамических характеристик отдельных подсистем на его ЭП при колебательном характере нагрузки.
Таким образом на основе вышеизложенного можно выделить три аспекта, которые являются наиболее весомыми в технической политике современного отечественного машиностроения: повышение производительности СХА, и расширение их функциональных возможностей; экономия топливно-энергетических ресурсов; сокращение сроков разработки технических средств и снижение затрат на исследовательские работы.
В основе формирования темы диссертационной работы лежат следующие положения:
- наличие в СХА реактивных, не согласованных между собой, звеньев (элементов) приводит в динамике к фазовому сдвигу между силовой и кинематической составляющими мощности и, как следствие к снижению эффективной мощности до 20 %;
- оборудование СХА системами автоматического регулирования топливоподачи двигателей внутреннего сгорания на основе центробежных регуляторов, приводит к дополнительным потерям мощности на переходных процессах до 20 %;
- переход к передачи мощности от двигателя к нагрузке по нескольким каналам приведет к дополнительным потеря мощности до 8 %;
- в условиях неустановившейся внешней нагрузки СХА из-за колебаний силовой и кинематической составляющей мощности снижается эффективная мощность ДВС, а соответственно производительность и затраты топлива;
- в инженерной практике отсутствуют универсальные методы оценки ЭП СХА в стационарных и переходных режимах их работы;
в перспективе с развитием энергетических обследований сельскохозяйственных предприятий потребуется методическое, программное и приборное обеспечение.
тсюда вытекает цель исследования: обосновать пути повышения эффективности работы сельскохозяйственных агрегатов, связанных с оценкой и управлением их энергетическими процессами.
Сформулируем основные положения, которые лежат в основе теоретических разработок, направленных на решение поставленной цели. Основное влияние на уровень ЭП оказывает фазовый сдвиг между центрированными значениями силовой и кинематической составляющими мощности, величина ее постоянной составляющей и качество работы САР при колебательном характере нагрузки. Разработана методология анализа несогласованных по энергетическим потокам мощности динамических подсистем СХА. Приведено обоснование двух базовых критериев динамического и энергетического согласования звеньев энергетической цепи СХА. В качестве первого критерия динамического согласования предложено оценивать уровень обобщенного фазового сдвига между силовой и кинематической составляющими мощности таких звеньев. В качестве второго критерия - определять коэффициент энергетического согласования потоков мощности отдельных звеньев СХА. Установлены пределы недоиспользования ЭП, получены интегрально-вероятностные оценки обобщенного фазового сдвига для стационарных и переходных процессов, возникающих в СХА. Разработаны математические модели определяющих энергетических цепей подсистем СХА.
Диссертационная работа выполнена согласно программе развития АПК Республики Мордовия до 2010 года "Разработка методов и средств контроля энергопотребления сельскохозяйственных агрегатов" и плану научных исследований ГОУВПО "МГУ имени Н.П.Огарева".
Практическую ценность имеют следующие результаты работы: программный комплекс для автоматизации оценки и прогнозирования наиболее эффективного использования ЭП; новые устройства динамического согласования подсистем СХА (электромеханическая саморегулирующаяся трансмиссия, синхронный генератор с разгонной секцией для автономного источника электроснабжения, микропроцессорный регулятор частоты вращения вала двигателя, устройство для изменения степени сжатия в цилиндрах ДВС, измерители и гасители давления, крутящего момента узлов СХА), повышающие их энергетическую эффективность; рекомендации по повышению энергетической эффективности СХА.
Новизна и промышленная применимость таких устройств подтверждены патентами на изобретения.
Результаты исследований внедрены: в учебный процесс инженерных факультетов вузов Федерального агентства по сельскому хозяйству МСХ РФ, а также ГОУВПО "Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева" и используются при изучении дисциплин "Тракторы и автомобили", "Эксплуатация машинно-тракторного парка", "Автоматизация технологических процессов", "Сельскохозяйственные машины", "Тепловые двигатели и нагнетатели"; в ОАО ВИСХОМ (г. Москва), филиале НАТИ (Московская область, г. Чехов), Государственном унитарном предприятии РМ "Центр испытания и внедрения сельскохозяйственной техники и машинных технологий" (г. Саранск), ГНУ Мордовском НИИ сельского хозяйства, ОАО "САРЭКС", Республиканском центре энергосбережения, Министерстве сельского хозяйства и продовольствия Республики Мордовия. На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:
- методология оценки и управления энергетическими процессами, протекающими в подсистемах СХА;
- критерий энергетического согласования цепи передачи мощности в подсистемах СХА;
- математические модели энергетических цепей СХА;
алгоритмы и программное обеспечение для оценки и прогнозирования ЭП СХА;
новые технические средства повышения энергетической эффективности СХА.
Анализ нерациональных потерь мощности на выполнение механизированных процессов сельскохозяйственными агрегатами при неустановившейся нагрузке
Процессы производства, преобразования, передачи и потребления энергии (энергетические процессы) техническими системами, к которым относятся и сельскохозяйственные агрегаты (СХА), связаны с потерями. Потери по возможности устранения могут быть классифицированы на неизбежные (или собственные) и технические. Под неизбежными понимаются потери, которые при данном принципе организации процесса не могут быть устранены или снижены без радикального изменения самого процесса. Потери, уменьшение или устранение которых технически возможно при данном принципе организации процесса, относятся к техническим [295]. Технические потери обусловлены, как правило, внешними факторами, превращающими энергетические процессы в неустановившиеся и поэтому их можно отнести к нерациональным потерям.
Анализ нерациональных потерь мощности (энергии) на выполнение механизированных процессов СХА в динамике необходим для выявления резервов экономии топливно-энергетических ресурсов, а также для обеспечения качества работы систем управления стабилизацией функциональных показателей (скорости движения агрегата, глубины хода рабочих органов, равномерности высева и т.д.). Определение резервов экономии входит в общую энергетическую оценку агрегата, целью которой является определение затрат энергии на выполнение технологической операции. На основании энергетической оценки определяют удельные расходы энергии на единицу продукции или площади. Удельные расходы энергии дают сравнительную энергоэффективность функционирования различных агрегатов в одинаковых условиях и являются основой создания научно-обоснованных норм расхода топлива на производство механизированных работ в сельском хозяйстве. В настоящее время наибольшее распространение получили методики энергетической оценки сельскохозяйственных агрегатов, в которых принят ряд допущений, упрощающих составление баланса мощностей [123]. Эти методики легли в основу отраслевого стандарта [202] по энергетической оценке.
Принятые допущения предполагают, что мощностью на преодоление сил инерции и на подъем можно пренебречь, а мощность, затрачиваемую на преодоление сопротивление воздуха (при малых скоростях движения), включить в затраты мощности на самопередвижение агрегата [123]. Такие допущения значительно сокращают объем измерений и облегчают пользование результатами энергетической оценки СХА. Баланс мощности в этом случае определяется выражением где N А - мощность, потребляемая самоходной машиной, стационарной машиной (агрегатом) с двигателем внутреннего сгорания при выполнении технологической операции; NT - мощность, потребляемая машиной навесной, полунавесной, прицепной, полуприцепной, присоединяемой к трактору при выполнении технологической операции; Nвом - мощность на привод рабочих органов от ВОМ трактора; Nr- мощность на привод органов машины от гидравлического привода трактора; Ny- мощность, затрачиваемая на самопередвижение по полю трактора без машины или самоходной машины без выполнения технологической операции; Ns - мощность, затрачиваемая на буксование движителей самоходной машины.
Выражение (1.1) отражает статический режим работы агрегата. В этом режиме все показатели энергетического баланса являются постоянными величинами. В реальных условиях эксплуатации агрегата на его двигатель действует неустановившаяся нагрузка, вызванная многообразием факторов, таких как неоднородность почвы и неровности микрорельефа поля, переключение передач, неуравновешенности двигателя и колес и др. В результате этого вращение коленчатого вала двигателя, шестерен трансмиссии и колес трактора, а также поступательное движение трактора и технологической машины происходят неравномерно, с ускорением или замедлением. При этом вращающиеся массы машин совершают колебания относительно осей вращения, а поступательно движущиеся массы - вдоль линии направления движения. Такие колебания происходят потому, что СХА представляет собой систему сосредоточенных масс (маховик, шестерни, колеса, остов), соединенных между собой упругими звеньями (валы трансмиссии, пневмошины, рессоры). Под действием неустановившейся нагрузки каждая масса системы, получая возмущение, колеблется на своем упругом звене и влияет на колебание соседних масс. При этом в упругих звеньях дополнительно возникают инерционные, динамические моменты и силы [240].
Следовательно, при неустановившейся нагрузке значение мощности, потребляемой СХА нельзя подсчитать по формуле (1.1), в которой не учтены инерционные (упругие) составляющие мощности. Переменный характер тягового сопротивления машин и орудий, используемых в сельском хозяйстве, отмечал еще в своих работах академик В. П. Го-рячкин [82]. Анализируя рациональную формулу силы тяги плуга, он отмечал, что коэффициенты/ ИЕне могут быть «устойчивыми и могут иметь отклонения, достигающие до 30% в ту или другую сторону». где G - вес плуга; а и Ъ - соответственно глубина и ширина захвата; & -скорость движения плуга. Для наиболее полного анализа энергетических процессов необходимо установить закономерности влияния различных факторов на переменное сопротивление самой нагрузки СХА. Изучению закономерностей влияния внешних факторов на изменения сопротивления нагрузки мобильных сельскохозяйственных агрегатов (МСА), при контроле мощности на крюке, посвящены работы В.Н.Болтинского, А.А. Болотина, С.А. Иофинова, Ю.К. Киртбая, Г.М.Кутькова, И.Е. Либерова, А.Б. Лурье, А.Б. Свирщевского, В.Н. Попова, Л.Е. Агеева и ряда других ученых [2, 31, 120, 127, 149, 151, 183, 184, 245]. В проведенных исследованиях колебания крюковой мощности объяснялись неоднородностью физических свойств почвы (плотности, влажности, растительного покрова), изменением глубины обработки почвы, скорости движения агрегата, наличием подворотов и рядом других факторов.
Анализируя данные, полученные в результате эксплуатационных испытаний тракторов [127], Ю.К. Киртбая отмечал наличие гармонических колебаний тягового сопротивления с различной частотой и предложил выделить из всего спектра частот составляющие: микроколебания, мезоколебания и макроколебания. Значительная часть колебаний тягового сопротивления, преобразованная (усиленная или ослабленная трансмиссией) поступает на вал ДВС в качестве момента сопротивления. Дальнейшие исследования привели к еще большей дифференциации составляющих спектра колебаний.
Академик В.Н. Болтинский отмечал, что диаграмму изменения момента сопротивления двигателя можно с достаточной точностью представлять в виде цепи непрерывно следующих друг за другом синусоид с различными максимальными значениями амплитуд и периодов [34, 35].
Методология оценки динамики и управления энергетическими процессами сельскохозяйственных агрегатов
Регулирование демпфирующими свойствами (рис. 1.8) осуществляется за счет изменения сечения дросселирующих отверстий и связано с потерями активной мощности идущей на нагревание масла, которое передается окружающей среде. Эффективность работы такого ДСУ зависит от параметров настройки управляющего устройства.
Процесс оснащения дизелей СХА автоматическими регуляторами идет по пути модернизации существующих путем создания дополнительных корректирующих устройств, так и применения самостоятельных двухимпульсных регуляторов (по отклонению и нагрузке) Анализ, проведенный в ЦНИДИ, показал определенные преимущества схем автоматических регуляторов с электрической обратной связью [277,278]. Современные двухимпульсные автоматические регуляторы (по отклонению и нагрузке) имеют электрическую схему измерения нагрузки, и были применены на дизель-генераторах [25, 209]. Применение двухимпульсных автоматических регуляторов на дизель-генераторных установках существенно повысило динамические качества систем автоматического регулирования. Вместе с тем можно отметить, что совершенствование автоматических регуляторов двигателей сопровождалось постепенным усложнением их конструкций, что не может способствовать повышению надежности и моторесурса. В связи с этим поиск новых более совершенных решений продолжается в различных направлениях. К настоящему времени разработано, запатентовано и применяется на практике значительное количество электронных схем автоматических регуляторов частоты вращения [25, 26, 209].
Совершенствование регуляторов идет по двум направлениям: по топли-воподаче и процессу впрыскивания [1, 209]. Первое, управление дозирующим органом ТНВД, - начальный шаг в электронном управлении ДВС: насосная станция и форсунка не меняются, но дозирующий орган перемещается с помощью электромеханического исполнительного механизма, управляемого микропроцессором по сигналам датчиков. Основные режимные параметры при управлении: частота вращения коленчатого вала и нагрузка двигателя, за даваемая водителем, также пуск и останов. На их основе формируются: внешняя скоростная характеристика с регуляторной ветвью и частичные регулятор-ные характеристики; характеристики пусковой подачи и останова. Удовлетворительные системы: ДДЕС Детройтского отделения фирмы «Дженерал моторе». ДДЕС-П, освоенная в 1987 году, управляет подачей топлива, регулирует частоту вращения коленчатого вала и др. Реализована на микропроцессоре 6М СМ фирмы «Дженерал моторе». Позволяет сэкономить до 5-15% топлива. Японская фирма «Ниппон Денсо» освоила две системы управления подачей топлива дизеля ЕС Д-Р 1 и ЕСД-Р2. Первая выполнена на микроконтроллере и регулирует момент впрыска топлива путем включения и выключения питания электроклапанов и способна диагностировть состояние дизеля; вторая изменяет количество топлива, перемещая рейку ТНВД и не допускает «раскрутки» дизеля.
В России подобные исследования активно ведутся в Ярославском ГТУ совместно с Ярославским моторостроительным заводом [1]. Разработана схема электронного управления внешней скоростной характеристикой непосредственно через рейку топливного насоса. Она представляет собой электронно-механический регулятор, который управляет характеристикой с помощью подвижного электромагнитного упора (гидравлического исполнительного механизма, шагового электродвигателя), ограничивающего движение рейки в сторону увеличения подачи. В качестве исполнительных механизмов в электронных регуляторах применяются: гидро- и пневмоприводы; электродвигатели с редукторами и шаговые двигатели.
Анализ состояния вопроса показал, что основными факторами, приводящими к нерациональным (неоправданным) потерям мощности при функционировании СХА являются не контролируемые колебания нагрузки и скорости и фазовый сдвиг между ними. Колебания нагрузки приводят к неоправданным потерям мощности двигателя СХА в связи с: нарушениями протека ния рабочего процесса в ДВС, из-за возникновения фазового сдвига между давлением и изменением расхода в энергообеспечивающих (топливо- и возду-хоподача) и энергоформирующих (между давлением и скоростью поршня) цепях; потерям мощности в штатных демпфирующих устройствах (гасители крутильных колебаний на валу ДВС, валу муфты сцепления, амортизаторах ходовой части, сцепных устройствах и др.); увеличения объемных потерь в гидравлических трансмиссиях. Колебания скорости приводят к потерям мощности вследствие: возбуждения колебаний в системах регулирования частотой вращения коленчатого вала; установки гасителей на технологические машины (пресс-подборщики, фрезы и др), построенных на инерционных и активных элементах; буксования движителей ходовой части. Кроме того, нерациональные потери мощности возрастают при увеличении числа переходных режимов (число переключений передач и троганий агрегата и др.)
Величина нерациональных потерь мощности при работу СХА может доходить до 50% при этом основную доля составляют реактивные потери (энергетический потенциал) значительная доля которых может быть реализована на выполнение полезной работы.
Механическая цепь теплового двигателя с регулятором Уатта и ее линеризация
Более высокий уровень динамического согласования автономных систем энергоснабжения дает использование микропроцессорных регуляторов стабилизации одного или несколько параметров такой системы. Достаточно широко распространяемые энергетические средства с электроагрегатами в системе водоснабжения сельскохозяйственных объектов. Рассмотрим энергетические процессы, происходящие в системе водоснабжения с дизель-генератором, оснащенным микропроцессорным регулятором топливоподачи [164]. В связи с тем, что в такую систему входит несколько самостоятельных устройств (дизель, генератор, асинхронный двигатель, насос, гидравлическая сеть), то при разработке системы автоматического управления топливопода-чей с целью стабилизации давления в водопроводной сети возникает необходимость исследования их взаимного влияния.
Для решения указанной задачи была разработана математическая модель на основе энергетической цепи. Она позволяет подобрать оптимальные коэффициенты регулятора с учетом конструктивных параметров устройств, образующих энергетическую цепь, и исследовать режимы работы при различных входных воздействиях.
Энергетическая цепь дизель-генератора с микропроцессорным регулятором дискретного типа в составе системы водоснабжения (рис. 3.29) включает семь звеньев: термохимический преобразователь /, преобразующий цикловую подачу топлива в крутящий момент; механическое звено II, включающее активное сопротивление гх и приведенный момент инерции 1Х дизель-генератора 2; микропроцессорное топливодозирующее устройство с исполнительным механизмом III; двухступенчатый электромеханический преобразователь «синхронный генератор - асинхронный электродвигатель» IV; механическое звено «асинхронный электродвигатель - центробежный насос» V; механико-гидравлический преобразователь «центробежный насос» VI; гидравлическое звено VII.
К согласующим электрическим устройствам относятся генераторы, двигатели и соединяющие их линии. В электромеханических трансмиссиях наибольшее распространение получили синхронные генераторы и асинхронные электродвигатели, как наиболее распространенные в стационарных частотно- регулируемых электроприводах.
Особенность работы синхронного явнополюсного генератора автономного энергетического средства в системе частотно-регулируемого электропривода, например, насосной нагрузки является то, что угловая скорость вала генератора постоянно меняется в широких пределах от холостого хода до номинальной частоты его вращения. Скорость изменения частоты вращения определяется колебаниями. нагрузки? давлением.в водопроводной сети, которые воспринимаются регулятором. Из результатов испытаний известно, что частота колебаний в гидравлической сети находится в пределах 0,1-0,5 Гц. Кроме того, в режиме пуска (разгона) частота колебаний достигает 1-3 Гц.
Рассмотренные особенности выдвигают требования к модели синхронного генератора. Синхронные явнополюсные машины при анализе следует рассматривать как многообмоточные и учитывать наличие обмоток якоря, возбуждения и демпферной обмотки (рис.3.31). Кроме того, в переходных режимах учитывается влияние насыщения на изменении индуктивности обмоток L; и взаимной индуктивности Mj. Если рабочая точка выбирается на линейном участке характеристики намагничивания, то насыщение можно не учитывать, т.е. у/ = const. В этом случае несимметричной является взаимоиндукция МІ, как функция угла поворота вала.
Электромеханическая саморегулирующаяся трансмиссия МЭС
В перспективе значительную долю энергетических средств в сельском хозяйстве будут составлять тракторы с электромеханическими трансмиссиями (450-750тыс.шт.) и почти столько же будет использовано для привода передвижных насосных станций [1]. В связи с этим разработка проблемы управления режимами таких установок является актуальной задачей.
Известен способ управления моторно-трансмиссионной установкой с помощью микроЭВМ и электронного регулятора частоты вращения [26], где задание в систему управления вводится в виде заданных значений мощности двигателя, а заданные значения частоты вращения двигателя определяются в системе управления делением заданных значений мощности на величину действительного крутящего момента, в качестве которого используется значение электрического сигнала с выхода электронного автоматического регулятора частоты вращения, определяющего цикловую подачу топлива в данный момент времени.
Такой способ не обладает достаточной точностью, так как не учитывает колебаний крутящего момента. При этом нельзя добиться требуемого качества регулирования технологического параметра за счет регулирования частоты вращения.
Целью данного подхода является улучшение экономических показателей дизель-генератора с микропроцессорным управлением при работе в режиме стабилизации давления за счет более высокого качества частотного регулирования частоты вращения, которое обеспечивается реализацией двухконтурного регулятора: первый контур обеспечивает заданную частоту вращения коленчатого вала дизеля путем изменения величины топливопода-чи; второй контур обеспечивает поддержание заданного значения параметра технологической нагрузки (рис.4.31).
Регулятор частоты вращения содержит датчик давления 1, сигнал с которого поступает на вход микропроцессорного управляющего устройства 2. На другой вход микропроцессорного устройства через согласующее устройство 3 подается сигнал с датчика частоты вращения 4. Импульсы питающего напряжения с выхода устройства 2 через усилитель 5 подаются на шаговый двигатель 6, который механически соединен через согласующий редуктор 7 с топливодозирующим устройством 8, дизель-генератора 9. В качестве нагрузки дизель-генератора выступает насосная установка 10.
Регулятор включает в себя два зависимых друг от друга контура регулирования: 1) первый контур обеспечивает заданную частоту вращения коленчатого вала дизеля путем изменения величины топливоподачи; 2) второй контур обеспечивает поддержание заданного значения параметра технологической нагрузки. Регулятор работает следующим образом. Нажатием кнопки «Пуск» перед запуском дизель-генератора регулятор устанавливает пусковую подачу топлива, превышающую номинальную в два раза. В качестве настроечной частоты вращения принимается номинальная частота дизель-генератора. После этого регулятор находится в режиме ожидания, пока будет осуществлен запуск дизель-генератора и частота вращения его вала превысит значение 0,638 от номинального. Далее в работу вступает первый контур регулирования. При этом сигнал, пропорциональный частоте вращения вала, с тахогенератора через согласующее устройство поступает на микропроцессорное управляющее устройство (регулятор) 2, где вычисляется отклонение частоты вращения от настроечного значения. В зависимости от величины отклонения и скорости его изменения вычисляется количество управляющих импульсов, которые регулятор подает на обмотки шагового двигателя, связанного с топливодозирующим устройством перемещения отсечной муфты топливного насоса в положение, устанавливающее цикловую подачу топлива соответствующую настроечной частоте вращения. После подачи управляющих импульсов регулятор осуществляет выдержку времени, пропорциональную их количеству, и цикл регулирования частоты вращения повторяется.
При нажатии кнопки «Пуск насоса» регулятора настроечная частота вращения устанавливается равной минимальному значению, при которой двигатель работает устойчиво.
В этом режиме производится включение оператором пускателя электродвигателя насоса. В результате чего происходит провал частоты вращения, который расценивается регулятором как команда к частотному пуску асинхронного электродвигателя насоса и в работу вступает второй контур регулирования. Токовый сигнал, пропорциональный значению давления в контрольной точке водопроводной сети, поступает на вход регулятора, где вычисляется отклонение давления от настроечного значения. В зависимости от величины отклонения и скорости его изменения вычисляется настроечное значение частоты вращения вала дизель-генератора для первого контура, при котором асинхронный двигатель насоса будет вращаться с такой скоростью, чтобы насос создавал требуемое давление. После этого регулятор осуществляет выдержку времени, пропорциональную изменению частоты вращения дизель-генератора, и цикл регулирования давления повторяется.
После нажатия кнопки «Останов насоса» отключается второй контур регулирования, настроечная частота вращения устанавливается равной минимальному значению, при которой двигатель работает устойчиво. При ее достижении отключается пускатель электродвигателя насоса и настроечная частота вращения дизель-генератора устанавливается равной номинальной.
С целью повышения качества регулирования и улучшения экономических показателей силовой установки дизель-генератора в режиме стабилизации давления, задание в систему управления вводится в виде заданного значения давления, а настроечное значение частоты вращения двигателя определяются в микропроцессорной системе управления в зависимости от величины и относительного изменения тока потребляемого электроприводом насосной нагрузки.
