Электромобильные установки с автономным электропитанием

Мобильные машины и установки с аккумуляторным питанием в виде различных электрокар (электротележек), электропогрузчиков и электроштабелеров применяют для перемещений различных грузов как внутри производственных помещений с твердым покрытием, так и для внутрихозяйственных перевозок. Связано это прежде всего с пожаробезопасностью этих машин и установок, с отсутствием шума и отсутствием вредных выбросов, что имеет место у таких же средств, оснащенных двигателем внутреннего сгорания. Кроме того, они обладают высокой маневренностью и простотой управления, что делает их незаменимыми транспортными средствами для перемещения грузов внутри складских и других производственных помещений. На рисунке 2.56 приведены основные виды подобных мобильных средств, оснащенных аккумуляторным питанием, а на рисунке 2.57 одна из типовых схем контакторного управления электроприводом тележки с аккумуляторным питанием типа ЭТ-2040, общий вид которой представлен на рисунке 2.56, а.

Электротележка ЭТ-2040. Она имеет двухосное шасси на пневматических шинах с передним управляемым и задним ведущим мостами. На шасси прикреплена рама; ее верхняя часть представляет собой грузовую платформу, под которой расположена аккумуляторная батарея. Движение ведущим колесам передается от электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения посредством карданного вала и дифференциала. Электротележка оборудована двумя системами тормозов: ножным тормозом с гидравлическим приводом, действующим на колеса, и ручным тормозом с механическим приводом, действующим на вал двигателя.

а — элсктротелсжка; б — электрокар; в — электропогрузчик —^т

Рис. 2.56. Общий вид мобильных средств с аккумуляторным питанием:

Основные технические данные электротележки ЭТ-2040: грузоподъемность 2000 кг, масса тележки 1860 кг, скорость движения с грузом 16 км/ч, без груза 22 км/ч, электродвигатель передвижения постоянного тока последовательного возбуждения типа РТ-2 (Р_н = 3,2 кВт, ?/" = 40 В, /_н = 100 A, to_H = 100 рад/с, ПВ_Н = = 40%), закрытый, с естественным охлаждением.

Электрические цепи получают питание от аккумуляторной батареи, состоящей из двух одинаковых секций G1 и G2. Для коммутации силовых цепей используют контакторы КМ1…КМ7 и кремниевые вентили VD1, К/)2типа В2−200−3.

Двигатель М управляется поворотным командоконтроллсром SA1, состоящим из кулачкового вала и переключателей цепей питания катушек контакторов КМ1…КМ7 блока AJ. Вращение вала командоконтроллера осуществляется от педали водителя, при

этом в каждом положении происходит переключение соответствующих контактов. Регулирование скорости тележки происходит изменением напряжения на якоре двигателя М путем переключения диодами VD1, VD2n.

Рис. 2.57. Электрическая схема управления электроприводом тележки ЭТ-2040

контактором КМ1 секций G1 и G2 аккумуляторной батареи с параллельного соединения на последовательное, введением силового резистора R1 в цепь якоря и шунтированием обмотки возбуждения ОВМ силовым резистором R2.

Для подготовки тележки к работе следует включить выключатель S1, поставить переключатель реверса (на схеме не показан) в одно из положений «Вперед» или «Назад» и растормозить ручной тормоз, в результате чего замкнется контакт путевого выключателя SQ1. Последовательность коммутации аппаратов (рис. 2.57) при пуске и регулировании угловой скорости двигателя М, а соответственно скорости движения электротележки, в зависимости от позиции командоконтроллера SA1 следующая:

• 1. В первом положении 1 контроллера SA1 получает питание катушка контактора КМ4 (или К Мб при движении «Назад»), и он своим силовым контактом КМ4 подготавливает к включению цепь якоря двигателя М.
• 2. В положении 2 контроллера SA1 включается контактор К7 (или К5 при движении «Назад»), замыкая силовую цепь двигателя М. Секции батареи G1 и G2 через диоды VD1 и VD2 соединяются параллельно, резистор R1 введен. Двигатель пускается и работает на характеристике 1 (рис. 2.58).
• 3. В положении 3 контроллера SA1 получает питание контактор КМ2 и своим контактом шунтирует резистор RI, секции G1 и G2 батареи остаются соединенными параллельно, двигатель работает на характеристике 2.
• 4. В положении 4 контроллера включается контактор КМ1, а контактор КМ2 отключается. Секции батареи G1 и G2 силовым контактом КМ1 соединяются последовательно. К якорной цепи подводится полное номинальное напряжение при включенном токоограничивающем резисторе R1, и двигатель М работает на характеристике 3.
• 5. В положении 5 контроллера снова включается контактор КМ2, резистор R1 шунтируется его контактами, и двигатель работает на естественной характеристике 4.

6. В положениях 6 и 7 контроллера SA1 включается контактор КМЗ, параллельно обмотке возбуждения ОВМ электродвигателя М подключается резистор R2, магнитный поток от обмотки возбуждения уменьшается и электродвигатель развивает наибольшую частоту вращения, соответствующую характеристике 5.

Рис. 2.S8. Электромеханические (скоростные) характеристики электропривода тележки ЭТ-2040

Полная электрическая схема электротележки включает дополнительно цепи освещения и сигнализации, которые на схеме (рис. 2.57) не показаны. Защита электрических цепей от токов короткого замыкания и от длительных токовых перегрузок обеспечивается предохранителями FU1 в цепи аккумуляторной батареи (в случае пробоя вентилей VD1 или VD2), FU2 — в цепи электродвигателя М и FU3 в цепи управления электроприводом.

Автономные источники электропитания. На основе рассмотренных средств с аккумуляторным питанием выпускают мобильные машины и установки кормораздачи, уборки производственных помещений, площадок и др. Все они оснащены тяговыми щелочными или кислотными аккумуляторами с соответствующими средствами их заряда. Наряду со свинцово-кислотными и железощелочными аккумуляторами находят применение тяговые никель-кадмиевые щелочные батареи, которые несколько дороже, но имеют меньший саморазряд, больший срок службы и экологически безопаснее. Основные показатели аккумуляторов, используемых в качестве автономных источников электроэнергии для электротранспортных установок, приведены в таблице 2.8.

2.8. Основные показатели аккумуляторов систем автономного электропитания

В целях экономии электроэнергии батареи и увеличения продолжительности ее работы без подзарядки наряду с контакторными системами управления применяют бесконтактные импульсные системы, которые в энергетической части содержат только полупровод-

никовый широтно-импульсный или частотно-импульсный преобразователь.

Рис. 2.59. Внешний вид ТПЗ.

Реверсивные преобразователи. В качестве средств заряда аккумуляторов наряду с неуправляемыми и управляемыми выпрямителями переменного тока применяют реверсивные преобразователи. Эти преобразователи за счет реверса тока позволяют обеспечить более благоприятное протекание восстановительных электрохимических процессов в аккумуляторе и тем самым существенно сократить продолжительность его заряда, провести электрическую регенерацию аккумулятора и повысить срок его службы. На рисунке 2.59 приведен внешний вид, а на рисунке 2.60 и 2.61 — электрическая схема и временные диаграммы подобного зарядного преобразователя, разработанного при участии и под руководством автора. (Новизна подтверждена авторским свидетельством на изобретение № 1 700 685).

Данный преобразователь, именуемый в дальнейшем тиристорным преобразователт заряда (ТПЗ), предназначен для заряда тяговых аккумуляторных батарей (АБ) реверсивным током. В ТПЗ предусмотрено автоматическое формирование по правилу ампер-часов изменение тока заряда при ускоренном способе заряда и автоматическое завершение процесса заряда АБ. ТПЗ позволяет проводить ускоренный заряд тяговых АБ напряжением 40…160 В и емкостью 100…600 А • ч за время от 1 до 4 ч. На выходе ТПЗ обеспечивает диапазоны регулирования средних значений прямого 0…500 А и обратного 0…150 А токов. Конструктивно ТПЗ выполнен в виде напольного электрического шкафа (рис. 2.59). Питание ТПЗ осуществляют от двух фаз трехфазной сети переменного тока с фазным напряжением 220 В и частотой 50 Гц (рис. 2.60).

Преобразователь (рис. 2.60) содержит двухфазный нулевой выпрямитель на тиристорах VS1, VS2 и однофазный нулевой инвертор на тиристоре VS3. Питание этих преобразовательных звеньев осуществляют непосредственно от трехфазной сети переменного тока. При этом, если заряжают АБ с ЭДС 40…140 В, то питание выпрямителя и инвертора осуществляют фазным напряжением промышленной сети (перемычка между клеммами 2 и 3), а если с ЭДС 140…240 В —линейным напряжением (перемычка между клеммами 1 и 3) этой сети. Для отключения установки от питающей сети предусмотрен рубильник QS1.

Рис. 2.60. Электрическая схема функциональной структуры ТПЗ.

Контактор КМ2 отключает АБ от тиристора VS3 инвертора, что предотвращает самопроизвольное открытие этого тиристора при отсутствии питания на входе преобразователя. В зависимости от требуемой длительности импульсов обратного тока дроссель Ы может включаться между клеммами 4 и 5 в цепь выпрямителя (узкий обратный импульс) либо между клеммами б и 7 (клеммы 4 и 5 замкнуты между собой) в цепь выпрямителя и инвертора (широкий обратный импульс). При заряде АБ реверсивным током с узкими обратными импульсами достигается деполяризация околоэлектродных слоев АБ без ее разряда, что повышает эффективность процесса заряда. Ток и напряжение на выходе преобразователя контролируют по амперметрам магнитоэлектрической системы РА1 и РА2 с шунтами RS1 и RS2 и вольтметру PV1 аналогичной системы. Напряжение в цепи управления подается через контакты магнитного пускателя КМ], который включают кнопкой SB1, а отключают — кнопкой SB2.

В систему управления ТПЗ входят блок управления силовыми полупроводниковыми ключами (СПК), блок защиты, блок управления процессом заряда АБ, таймер КТ1. Блок управления СПК состоит из трех идентичных каналов СИФУ. Синхронизация пилообразного напряжения U_onA и U_onB в каналах А и В СИФУ (рис. 2.61), формирующих импульсы управления тиристорами VS1 и VS2 (рис. 2.60) выпрямителя, осуществляется положительными полуволнами напряжений от фаз, в которые включены эти тиристоры. Синхронизация напряжения U₀«c канала С СИФУ, используемого для формирования импульсов управления тиристора VS3 (включенного в фазу А) инвертора, происходит от отрицательных полуволн отстающей фазы В. Такой алгоритм синхронизации каналов СИФУ позволяет за период сетевого напряжения выделять интервалы в 300° и 60° для управления тиристорами выпрямителя и инвертора, исключающие их одновременную проводимость (рис. 2.61). Прямой ток через нагрузку ТПЗ регулируют изменением углов управления а_А и а_в в каналах А и В выпрямителя. Значения. этих углов управления определяются напряжением U» задания.

Рис. 2.61. Временные диаграммы токов и напряжений ТПЗ.

Рис. 2.62. Зависимости дальности пробега электромобиля от массовой доли АБ в общей массе для различных значений удельной мощности АБ

прямого тока. Данное напряжение устанавливают потенциометрическим задатчиком RP1 (рис. 2.60). Аналогично потенциометрическим задатчиком RP2 регулируют обратный ток.

Тяговые аккумуляторные батареи. Их широко применяют в электромобилях, которые нетоксичны и бесшумны, маневренны и просты в управлении. Основные показатели для тяговых батарей электротранспорта — высокие значения удельной мощности и удельной энергии, чтобы масса батареи в общей массе электрифицированного транспортного средства была как можно меньшей, так как от этого зависит полезная грузоподъемность и дальность пробега транспортного средства (рис. 2.62). Кроме того, тяговая аккумуляторная батарея должна обеспечивать многоразовые режимы глубокого разряда и заряда с высокими значениями КПД, иметь повышенный срок службы и приемлемую стоимость. Этим противоречивым требованиям для электрифицированного транспорта с аккумуляторным питанием в настоящее время наиболее полно удовлетворяют химические аккумуляторы: свинцовокислотные (СК), никель-железные (НЖ) и никель-кадмиевые (НК) (табл. 2.8), а также тяговые конденсаторные батареи на основе конденсаторов с двойным электрическим слоем типа КДЭС. Например, тяговая конденсаторная батарея 50КДЭС-30 имеет при номинальном напряжении 80 В емкость 2600 Ф, средний ток разряда 100 А, полную энергию 8300 кДж, продолжительность заряда 13 мин, нормативный срок службы 5 лет при наружных температурах от —40 до +50 °С. Ее масса составляет 120 кг вместо 650 кг для типовой химической батареи аналогичного назначения типа ТНЖ300.