Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время одним из самых распространенных типов систем пуска (СП) двигателей внутреннего сгорания (ДВС) транспортных средств и стационарных промышленных объектов является электростартерная система. Электропривод этих систем базируется на использовании машин постоянного тока (МПТ), среди которых большая часть имеет последовательное возбуждение. Причем стартерныи электропривод (СЭГГ) остается в подавляющем числе случаев нерегулируемым, а сама система электростартерного пуска (ЭСП) - разомкнутой по своей структуре.
Тяжелые условия прямого пуска главных двигателей, а также дизель-генераторных установок (ДГУ) большой мощности, в целях повышения надежности запуска, вынуждают применять автономные источники питания стартери ых двигателей (СД) с завышенными мощностиыми 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 стартёрны'х батарей (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), и софт-стартерный пуск двигателя. Причем рост 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. 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 двукратное 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. При этом изучение динамики подразумевает раскрытие динамических свойств объекта исследования в целом и его составных частей в отдельности, а также выяснение динамических характеристик, которые представляют зависимости основных электромеханических величин СД и ДВС от времени. К этим величинам, прежде всего, следует отнести ток разряда автономного источника, ток якоря и ток возбуждения СД, напряжение на внешних зажимах источника, электромагнитный момент СД, угловую скорость коленчатого вала ДВС и ряд других. 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 коэффициентами.
Среди решенных задач необходимо выделить следующие:
-
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. По-ляшова, Н.И. Радионова, Ю.А. Сабинина, ЮЛ. Чижкова, Е.Б. Шумкова.
Цель диссертационной работы заключается в разработке н 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.
5. Апробация результатов исследований и натурные испытания устройства компенсации на ДГУ в эксплуатационных условиях.
Методы исследования. Исследования выполнены методами матема
тического, структурного и имитационного моделирования. Весомую часть
исследований занимает эксперимент и натурные испытания. Математиче
ские и структурные модели систем ЭСП получены на основе классической
теории ДВС и электрических машин, дифференциального, интегрального и
операционного исчисления. Задействованы возможности численных алго
ритмов. Имитационное моделирование СП выполнено в среде визуального
программирования MATLAB 6.0. Там же выполнена параметрическая
идентификация коэффициентов регулятора скорости и нагрузки ДВС. Экс
периментальная 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 [7].
-
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.
-
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 двукратное (в 2,01 раза) снижение максимального значения тока разряда автономного источника, повышение его эксплуатационного ресурса и надежности пуска ДВС.
-
Разработана программа для ЭВМ, которая позволяет исследовать динамику СЭП ДВС в системе СЕ - МПТ смешанного возбуждения при наличии взаимосвязанных через электромагнитное поле обмоток последовательного и независимого возбуждения. Оригинальность модели подтверждена свидетельством об официальной регистрации программ для ЭВМ [3].
-
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 [4].
4. Разработан опытно-промышленный образец СЭП по системе СБ — МПТ последовательного возбуждения с промежуточным регулятором напряжения дискретного типа и замкнутой структурой контура стабилизации тока разряда СБ,
\ На зашиту 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 -7 МПТ 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-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, в том
числе 2 свидетельства на программы для ЭВМ и патент на полезную
модель. ..
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации составляет 236 страниц основного текста, 77 рисунков, список литературы из 125 наименований.
