Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 10
1.1 Состояние механизации погрузочно-разгрузочных работ в сельском хозяйстве 10
1.2. Электропогрузчики 11
1.3. Источники энергии в электропогрузчиках 14
1.3.1. Энергетические установки с электрохимическими источниками энергии 15
1.3.2. Емкостные накопители энергии в энергетических установках ЭПГ 22
1.4. Цели и задачи исследования 25
Глава 2. Обобщенная математическая модель электропогрузчика с комбинированной энергоустановкой 27
2.1. Общая характеристика модели ЭПГ с КЭУ 28
2.2. Подмодель динамики и условий движения электропогрузчика 32
2.3. Статистический анализ технологических режимов и расчет основных элементов комбинированной энергоустановки 35
2.3.1. Методика проведения эксперимента 36
2.3.2. Описание осциллограмм, полученных в результате эксперимента 37
2.3.3. Результаты статистического анализа 38
2.3.3.1. Выбор шага квантования 40
2.3.3.2. Выбор длины реализации 41
2.3.3.3. Доказательство стационарности процессов 41
2.3.3.4. Эргодичность процесса 43
2.3.3.5. Определение закона распределения 43
2.4. Моделирование системы электропривода 47
2.4.1. Модель тяговых электродвигателей 47
2.4.2. Моделирование системы управления электроприводом 49
2.5. Подмодель комбинированной энергетической установки 51
2.5.1. Моделирование тяговых аккумуляторных батарей 51
2.5.2. Моделирование емкостного накопителя энергии 59
2.5.3. Моделирование работы комбинированной энергоустановки...61
2.6. Выводы по главе 2 72
Глава 3. Моделирование интегральных технико-эксплуатационных показателей ЭП. Программная реализация обобщенной математической модели . . 74
3.1. Технико-эксплуатационные электропогрузчика 74
3.2. Особенности программной реализации математической модели ЭП...79
3.3. Проверка адекватности разработанной обобщенной математической одели ЭП с КЭУ 123
3.4. Выводы по главе 3 ...133
Глава 4. Анализ рабочих процессов и взаимосвязей конструктивных параметров электропогрузчика и комбинированной энергоустановки с интегральными технико-эксплуатационными показателями 134
4.1. Интегральные показатели электропогрузчика с однородной энергетической установкой 135
4.1.1. Электропогрузчик с энергоустановкой на базе аккумуляторной батареи 139
4.1.2. ЭПГ с емкостным накопителем энергии 145
4.2. Особенности процессов и взаимосвязей в ЭПГ с КЭУ 150
4.3. Рекомендации по созданию ЭПГ с КЭУ, содержащей ЕН 159
4.4.Выводы по главе 4 160
Общие выводы 162
Список литературы 164
- Источники энергии в электропогрузчиках
- Моделирование системы управления электроприводом
- Проверка адекватности разработанной обобщенной математической одели ЭП с КЭУ
- Электропогрузчик с энергоустановкой на базе аккумуляторной батареи
Введение к работе
^ і В настоящее время интенсивно проводятся исследования по разработке
ас ^
о экономичных систем тяговых приводов для напольного электрического
з , 7
транспорта. Решение этой проблемы позволит увеличить пробег без подзарядки АБ и улучшить условия эксплуатации транспортного средства.
Экономичность тягового привода электропогрузчика может решаться
двумя путями- **** вер**-- *#*" с^дош,* иоЄ«л Г***'*
Создание новых химических источников питания. ы рОЗра «»7^« у
Разработка КЭУ для тяговых приводов электропогрузчиков. Второй путь является более приемлемым для предприятий, имеющих
большой парк электропогрузчиков. Потому, что замена их АБ новыми сопряжена с большими трудностями и экономическими потерями. И даже при наличии энергоемких химических источников тока применение КЭУ позволит увеличить время межзарядного пробега транспортного средства.
Сейчас все шире находят применением тиристорные системы управления тяговыми электродвигателями, преимущество использования которых по сравнению с существующими способами управления показаны, Например в /41, 73, 75, 80, 87 и др./. однако получить наибольший эффект можно только при определенииЧуправления.
Для решения этих задач необходима разработка ряда вопросов:
! с?
математическое описание источника питания, анализ режимов движения,/ «? электропогрузчика, исследование динамических свойств системы для у* непрерывного и дискретного вариантов, а также снижение потребления и потерь энергии при обеспечении заданных режимов движения. Этими вопросами в течение ряда лет занимается много авторов.
В частности, математическому описанию химических источников тока " как элементов системы тягового электропривода и электрической цепи вообще, а также анализу параметров аккумуляторных батарей в различных условиях посвящены работы Гинделиса Я.Е., Дасояна М.А., Любиева О.Н.,
Несмотря на то, что поставленные выше вопросы достаточно подробно освещены в литературе/Не все еще проблемы решены. Так, выбор мощности и энергоемкости основных элементов тягового привода и комбинированной энергоустановки производится на основе детерминированного цикла движения /62, 72/, хотя реальный график движения транспортного средства носит случайный характер. ,звшкм- упрощенно дается математическое описание аккумуляторных батарей.
При расчете комбинированных энергоустановок /45/ не учитывается реальная нагрузка тягового электропривода. Принципам управления тягового привода с КЭУ практически не уделяется внимания, хотя в /45, 62/ предлагается введение различных обратных связей, а в /8, 36/ подчеркивается необходимость управления режимами работы источников питания в КЭУ. Отсутствуют оценки динамических свойств замкнутых систем тягового привода с КЭУ, рекомендация по выбору регуляторов, что не позволяет использовать все возможности комбинированных энергоустановок.
Вышеизложенное определяет актуальность теоретических и экспериментальных исследований тягового привода и комбинированной энергоустановкой для автономных транспортных средств.
Источники энергии в электропогрузчиках
Проблема источника электрической энергии в энергоустановке занимает центральное место в комплексе задач, встающих перед создателями конкурентно способной электропогрузчика (ЭПГ).
Энергоустановка должна обладать высокими удельными показателями по энергоемкости и мощности, быть абсолютно экологичной, герметичной, практически безуходной и надежной в эксплуатации. Электропогрузчик представляет собой индивидуальное транспортное г средство особо малого класса, имеющее много общего с электромобилем (ЭМ). Это касается структуры электропривода и энергоустановки, режимов их работы и т.д. Поэтому, говоря об энергоустановках ЭПГ, особенно перспективных, необходимо проанализировать состояние этого вопроса в электромобилестроенни. В ЭМ основными в подавляющем большинстве случаев сегодня являются электрохимические энергетические установки, хотя ведутся проработки нетрадиционных источников энергии для движения транспортного средства. Среди них можно отметить:
- маховичные накопители, использующие энергию, запасенную маховиком, приводящим в действие обратимую электромашину, питающую тяговый двигатель /16/;
- солнечные батареи /17/.
В области маховичных транспортных средств и солнечных батарей ведутся эксперименты, однако сейчас трудно рассчитывать на их заметное развитие. Определенным результатом разработок солнечных батарей в энергоустановках являются прошедшие гонки солнцемобилей в Австралии.
Рассмотрим особенности электрохимических источников энергии в электротранспортных энергетических установках.
1.3.1. Энергетические установки с электрохимическими источниками энергии
Тяговые электрохимические источники энергии разделяются на тяговые аккумуляторные батареи (ТАБ) и электрохимические генераторы (ЭХГ), формируемые на основе топливных элементов (ТЭ) или комбинированных (полутопливных) элементов (ПТЭ) X /18,44,45/.
Принцип работы ТАБ заключается в многократном режиме циклирования (заряд-разряд) с регенерацией исходных реагентов при заряде. Принцип работы ЭХГ, выполняемых на основе ТЭ заключается в разряде за счет непрерывного подвода реагентов к ТЭ извне с одновременным удалением продуктов реакции. Длительность разряда зависит от запаса реагентов (водород-воздух, металл-воздух и д.р.).
В случае использования ПТЭ (алюминий-воздух, цинк-воздух и др.) запас одного из реагентов заключен в систему и возобновляется периодически.
Представление о параметрах перспективных ТАБ для электротранспортных средств, рекомендуемых специалистами НАМИ /18-21, 28-33/, дает табл. 1.1.
Степень соответствия современных ТАБ приведенным в табл. 1.1 требованиям можно оценить путем анализа показателей, содержащихся в таблице 1.2. для ТАБ различного типа.
Рассмотрим особенности ТАБ, нашедших применение на ЭМ в последние десятилетия, а также тех электрохимических систем, которые будут применяться в ближайший период времени /20/. Свинцово-кислотные аккумуляторы (СКА) находят широкое применение на современных электромобилях. В настоящее время предпринимаются усилия по улучшению показателей СКА. Панцирная свинцово-кислотная ТАБ с погружаемыми в жидкий электролит электродами, до сих пор является самым недорогим и распространенным источником энергии для ЭМ.
Никель-железные аккумуляторы НЖА также конструктивно выполняются в виде погружаемых в жидкий электролит электродов. Они имеют значительно больший срок службы, чем СКА. Однако, наряду с большой долговечностью, эти ТАБ дороги, имеют относительно небольшую удельную энергоемкость и удельную мощность. По завершении очередного зарядного цикла требуется доливать в элементы дистиллированную воду, вследствие чего для этих батарей необходимо иметь систему централизованной заливки электролита. Необходимость удаления водорода также усложняет конструкцию НЖА. Хотя по этим ТАБ ведутся значительные работы, маловероятно, чтобы НЖА получили значительное развитие на перспективу по сравнению с новыми системами, работы по которым начались сравнительно недавно.
Никель-металл-водородные аккумуляторы (НМВА) имеют один никель-водородный электрод из металлического сплава, который обладает способностью запасать водород в твердом состоянии. Образцы ТАБ этого типа долговечны и имеют удельную энергоемкость 54-81 Вт ч/кг и удельную мощность порядка 174 Вт/кг.
ТАБ типа «Цинк-бром» имеют биполярные угольные электроды со связующим из пластмассы, разделенные сепаратором. Каждый электрод включен в свою отдельную камеру, через которую прокачивается электролит - водный раствор бромистого цинка. При заряде со стороны отрицательного электрода откладывается цинк, а со стороны положительного выделяется элементарный бром. Во время разряда вблизи обоих электродов образуются бромистые соединения цинка. ТАБ этого типа имеют высокую удельную энергоемкость (до 72 Вт ч/кг), но относительно низкую удельную мощность (не более 53 Вт/кг). Учитывая высокую удельную энергоемкость, можно ожидать продолжения работ по этой системе. Однако из-за проблем с недостаточной удельной мощностью, повышенной стоимостью (насосы, резервуары и трубопроводы) и склонностью используемых материалов к коррозии маловероятно, что ТАБ типа «Цинк-бром» может явиться перспективным источником энергии для электромобилей.
Моделирование системы управления электроприводом
Моделирование системы управления электроприводом Модель системы управления электропривода позволяет реализовать следующие способы регулирования тока силовой цепи: импульсный, резисторный и переключением секций батареи. По цепи возбуждения используется импульсный способ регулирования (напряжения или тока).
В каждом варианте моделирования вводится свой закон регулирования и соответствующие ему:
1. Ограничения по напряжению, току и скорости;
2. Признаки, определяющие порядок и критерии смены режимов управления в процессе работы тягового электропривода.
Величина управляющего воздействия задается статическим или астатическим законом. При статическом законе величины управляющих воздействий в цепях якоря и возбуждения определяются в соответствии с пропорциональным законом регулирования:
UpB -k-рв л; X=V - V3; где иря- регулирующее воздействие по цепи якоря; UpB - регулирующее воздействие по цепи возбуждения;
Кря и Крв - коэффициенты передач соответственно в цепях якоря и возбуждения;
X - величина ошибки регулирования по скорости;
V и Уз - реальная и заданная скорости движения электропогрузчика.
Как известно из теории автоматического управления, статический закон управления имеет пропорциональную погрешность воспроизведения заданного графика движения.
Астатический закон реализует пропорционально - интегрально -дифференциальный принцип регулирования:
где КрВд и Кряд, Кряж и КрЯд - коэффициенты передачи интегрального и дифференциального звеньев системы управления по цепи якоря и возбуждения.
Закон пропорционально - интегрально - дифференциального управления, как известно, существенно повышает точность поддержания заданной величины скорости в процессе моделирования циклического движения электропогрузчика.
Алгоритм управления тяговым электроприводом реализует двухзонный принцип регулирования скорости ТЭД: в области низких скоростей (до номинальной) работает бортовой вентильный преобразователь (БВП) цепи якоря при максимальном магнитном потоке (скважность импульсного регулятора цепи возбуждения равна единице - ув = 1,0); при скорости ТЭД выше номинальной (со со„) скважность БВП (у) равна единице (у=1,0), а регулирование координат ТЭД осуществляется ослаблением магнитного потока, т.е. уменьшением величины скважности импульсного регулятора по
Кохмбинированная энергетическая установка (КЭУ) в настоящем исследовании состоит из тяговой аккумуляторной батареи и емкостного накопителя энергии. Поэтому рассмотрим особенности моделирования этих основных частей КЭУ при разлучных типах ее компонентов.
Моделирование тяговых аккумуляторных батарей Особенности аккумуляторных батарей вообще, в том числе тяговых, состоят в непрерывном «дрейфе» его внутренних параметров в процессе работы, особенно при чередующихся циклах заряда-разряда, характерных для режимов движения ЭПК. Этот «дрейф» проявляется в значительном изменении у аккумулятора внутреннего сопротивления, ЭДС, степени заряженности и т.д., приводящих к тому, что вольт-амперные характеристики (ВАХ) ТАБ являются существенно нелинейными. Причем эта нелинейность зависит и от степени заряженности и типа аккумулятора. Таким образом его состояние в целом не может быть описано аналитически даже для одного типа ТАБ. В целом изменение параметров аккумулятора характеризуется семейством зарядно-разрядных ВАХ, которые могут быть получены только экспериментально. К настоящему времени выполнен обширный объем экспериментальных исследований позволивших систематизировать свойства аккумуляторов различных типов. На основе полученных данных предложено большое количество аналитических описаний и схем замещений для различных типов аккумуляторов, отличающихся степенью сложности и детализации. Многие из них систематизированы в /20, 30, 31, 33, 37, 58-60, 64-66, 76-80, 82-88, 108-110/ и др. Большой опыт расчетного исследования аккумуляторных батарей накоплен в России благодаря исследованиям специалистов ГНПП «Квант», НПО «Луч», НАМИ, НИИАЭ и др.
При разработке математической модели ЭПК с КЭУ в первую очередь был использован опыт моделирования специалистов НАМИ /37/, модель аккумулятора которых была взята в настоящей диссертации в качестве базовой.
Вместе с тем при выполнении ряда исследований и частных расчетов в данной работе была использована более простая модель ТАБ, разработанная с участием автора /73, 76/ на кафедре ЭКЭМС МАМИ.
Заметим, что многие исследователи /59, 60/ при моделировании ТАБ часто используют параметры аккумуляторов при фиксированной степени заряженности. Это может вносить заметную погрешность в результаты моделирования.
Этот недостаток устраняется благодаря отслеживанию в процессе моделирования изменений параметров аккумуляторов в функции степени их степени заряженности Z (%) и кратности токовых нагрузок.
Вольт-амперные характеристики (ВАХ) большинства аккумуляторных батарей имеют нелинейные зарядные и разрядные участки, заметно отличающиеся друг от друга (рис. 2.8).
В разработанной модели используются линеаризация ВАХ ТАБ отдельно для разрядного и зарядного участков с учетом количества последовательно тА и параллельно включенных аккумуляторов пА. Вольт-амперные характеристики при разряде ТАБ представлены в модели уравнениями, описывающими взаимосвязь между напряжением на зажимах аккумулятора UPA И током разряда 1рА на линейном рабочем участке ВАХ (рис. 2.9).
Проверка адекватности разработанной обобщенной математической одели ЭП с КЭУ
Для практического использования ОММ необходимо знать, что она правильно и адекватно отражает реально протекающие процессы в ЭП с КЭУ. Анализ показал, что это действительно так.
Сказанное подтверждается тем, что основу ОММ составляют подмодели, хорошо опробованные в практике моделирования. Это в первую очередь относится к подмоделям динамики и условий движения, ТЭД и электропривода, адекватность которых доказана многими исследователями / 29, 37, 44, 45, 58-60, 66 /. То же относится к подмоделям аккумуляторной батареи и емкостного накопителя / 7, 27, 37, 59, 60, 66, 76-79, 83-87 /. Однако, несмотря на сказанное, было проведено сопоставление полученных на разработанной модели результатов с данными натуральных экспериментов на коляске производства Ставровского завода автотракторного оборудования с энергоустановкой, содержащей ЕН / 81 /.
Силовым узлом проводного блока ЭП являлись два серийных электродвигателя МЭ272, сочлененных одним валом и передающих вращающий момент на двухскоростную коробку передач. С коробки передач вращающий момент передается посредством цепной передачи на ведущее колесо. В качестве источника энергии использовался ЕН производства МНПО «Эконд».
Представленные в /81/ данные и полученные в этой работе результаты были использованы для сопоставительного моделирования исследуемой в /81/ ЭП с помощью разработанной ОММ. Данные моделирования представлены в табл. 3.1.
Результаты моделирования ЭПГ на ОММ, сравниваемые с данными эксгюриментов
Видно, что полученные при моделировании на ОММ результаты вполне согласуются с полученными в экспериментах данными. Это подтверждает адекватность разработанной модели.
Некоторое превышение запаса хода ЭПК, полученные при моделировании может быть обусловлено неизбежным технологическим разбросом параметров используемых в эксперименте ТЭД и ЕН от каталожных данных в сторону их ухудшения.
1. Разработанная подмодель интегральных технико-эксплуатационных показателей и программное обеспечение ОММ ЭП с КЭУ позволяет упрощением подмодели получить частные модели электропогрузчиков с энергоустановками, содержащими только ТАБ или ЕН, и тяговыми электродвигателями последовательного или параллельного возбуждения.
2. Разработанная модель адекватно отражает реальные процессы в ЭП, что подтверждено сопоставлением полученных с ее помощью результатов с данными расчетов и экспериментов других исследователей.
Для определения целесообразности и эффективности применения емкостного накопителя энергии в составе комбинированной бортовой энергоустановки электропогрузчика, рассмотрим ее основные интегральные технико-эксплуатационные показатели (ИТЭП) при различных условиях движения и конструктивных параметрах электропогрузчика и энергоустановки. Это возможно сделать на базе разработанной обобщенной математической модели ЭПГ с КЭУ.
К основным интегральным технико-эксплуатационным ЭПГ, как было отмечено выше относятся:
- запас хода (L, км) электропогрузчика (величина пробега) за один зарядно-разрядный цикл бортовой энергоустановки;
- время электропогрузчика в рейсе (Тр, ч);
- удельно-приведенный расход энергии (Wy, Вт ч/т км), рассчитываемый как частное от деления израсходованного количества энергии на единицу массы и пути;
- энергетическая эффективность электропогрузчика (П %) определяемая отношением затраченной энергии на преодоление сил сопротивления движению (полезной энергии) ко всей израсходованной энергии.
Отмеченные четыре интегральных показателя можно считать лавными при сравнительной оценке различных ЭПГ. Часто эти ИТЭП дополняются: временем разгона ЭПГ до заданной скорости; максимально преодолеваемом подъеме_на_минимально-устойчивой .скорости; „тормозным.путем;.запасом хода при движении с постоянной скоростью или мощностью.
Электропогрузчик с энергоустановкой на базе аккумуляторной батареи
Многочисленные результаты моделирования ЭПГ с ТАБ при однодвигательном и двухдвигательном (раздельном) электроприводе, как и с другими источниками энергии, отражены в значительном числе протоколов расчетов интегральных технико-экономических показателей, пример которого приведен в табл. 4.1 для никель-кадмиевой батареи без рекуперации при торможении ЭПГ.
Одновременно, как отмечалось ранее, при моделировании отображается на дисплее и распечатывается на принтере. Отмеченный в табл.
Детальное исследование фазы разгона ЭПГ с ТАБ показывает, что на эпюрах, полученных в результате моделирования, также как в 111, при набросе нагрузки, в момент трогания электропогрузчика, наблюдаются характерные броски токов источника и двигателя. Принятый пропорциональный закон регулирования тяговым электроприводом достаточно хорошо обеспечивает заданную траекторию изменения скорости в фазе разгона. Здесь укажем на характерный сброс нагрузки в конце фазы разгона, обусловленный исчезновением динамического момента на валу ТЭД из-за ускорения электропогрузчика. При этом на эпюрах наблюдается незначительные колебательные процессы.
При вариации массы ЭПГ и ТАБ в энергоустановке для никель-кадмиевых батарей характер изменения ИПЭТ имеет вид, показанный на рис. 4.3. Для свинцово-кислотных ТАБ (60СТ-50А) изменение ИТЭП идентично НКА. Однако изменение запаса хода и времени в рейсе для ЭП с НКА в функции полной массы ЭПГ носит практически линейный характер, тогда как эти характеристики для электропогрузчика с СКА имеют выраженный экспоненциально - убывающий вид. Это обусловлено более мягкой разрядной характеристикой свинцовых аккумуляторов по сравнению с никель-кадмиевыми, при которой происходит уменьшение отдаваемой емкости при росте разрядного тока, вызываемого увеличением полной массы электропогрузчика.
Удельно-приведенные затраты энергии с увеличением полной массы электропогрузчика экспоненциально убывают, поскольку они обратно пропорциональны массе. Абсолютные значения этой зависимости меньше у ЭПГ с СКА, чем у типов ТАБ с НКА. Энергетическая эффективность для обоих типов ТАБ практически одинакова, возрастая с увеличением полной массы ЭП на 30-40%.
Данные моделирования показывают, что использование рассмотренных ТАБ в качестве бортовых источников энергии ЭПГ позволяем обеспечить запас хода свыше 50 км при скорости до 15 км/ч и времени в рейсе более 10 часов в зависимости от типа ЭПГ.
Это означает возможность уменьшения запасенной на борту энергии ТАБ за счет снижения ее массы. Однако, ввиду необходимости сохранения питающего электропривод напряжения в 24 В, потребуется разработка новых типов батарей.
Поскольку рассмотренные аккумуляторы обеспечивают ЭПГ высокий пробег, то их целесообразно использовать в качестве бортовых энергоисточников универсальных ЭПГ, обеспечивающих возможность передвижения в большом радиусе.
Наличие подъемов на трассе перемещения значительно влияет на запас хода ЭПГ. Так, для одного из типов электропогрузчика с никель-кадмиевыми аккумуляторами увеличение подъема дороги от 0 до 10% уменьшает запас хода с 70 км до 9 км.
Для исследования особенностей процессов в электропогрузчике с ЕН было выполнено моделирование значительного числа вариантов электропогрузчиков различных масс (от 60 до 200 кг), различных типов емкостных накопителей, в том числе и гипотетических перспективных, для однодвигательного и двухдвигателыюго раздельного электропривода, с ТЭД параллельного и последовательного возбуждения.
Результаты моделирования одного из вариантов ЭПГ с двухдвигательным электроприводом приведены в табл. 4.2.
Эпюры основных величин, характеризующих динамику работы основных систем электропогрузчика с двухдвигательным ЭПГ и ЕН в бортовой энергоустановке в ездовом цикле показаны на рис. 4.4.
Моделирование позволило получить значительную совокупность интегральных технико-эксплуатационных показателей для ЭПГ с ЕН, часть из которых приведена на рис. 4.5 при различных массах электропогрузчика и емкостного накопителя.
Изменение ИТЭП при одиночном и раздельном электроприводе при различных ТЭД параллельного и последовательного возбуждения для энергоустановки на базе ЕН показано в табл. 4.3.
Для сравнения в табл. 4.4. приведены полученные в результате моделирования ИТЭП для ЭПГ с ТАБ при тех же, что и табл. 4.3, параметрах электропривода и энергоустановки.
