Разработка двигателя автомобиля с комбинированной электрической установкой

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Описание промышленной установки и анализ технологического процесса

1.2 Анализ взаимодействия оператор — промышленная установка

1.3 Анализ кинематической схемы. Определение параметров и составление расчетной схемы механической части.

2. ВЫБОР СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ

2.1 Литературный обзор по теме дипломного проекта

2.2 Формулирование требований к автоматизированному электроприводу и системе автоматизации

2.3 Определение возможный вариантов и выбор рациональной системы электропривода

2.4 Проектирование функциональной схемы автоматизированного электропривода.

3.ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

3.1 Расчет нагрузок и построение механической характеристики и нагрузочной диаграммы механизма

3.2 Предварительный выбор двигателя по мощности

3.3 Выбор номинальной скорости двигателя и типоразмера двигателя

3.4 Построение нагрузочной диаграммы электропривода

3.5 Проверка выбранного электродвигателя по нагреву и перегрузочной способности.

4. ВЫБОР КОМПЛЕКТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

4.1 Определение возможных вариантов и обоснование выбора типа комплектного преобразователя

4.2 Расчет параметров и выбор элементов силовой цепи

Выбор аккумуляторной батареи:

4.3 Выбор датчиков регулируемых координат электропривода

5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

5.1 Разработка математической модели автоматизированного электропривода

5.2 Расчёт параметров объекта управления

5.3 Определение структуры и параметров управляющего устройства

6. РАСЧЕТ И АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ И СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОПРИВОДА

6.1 Разработка имитационной модели электропривода

6.2 Расчёт и определение показателей качества переходных процессов

7. ОКОНЧАТЕЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ДВИГАТЕЛЯ ПО НАГРЕВУ С УЧЁТОМ ТОЧНОЙ НАГРУЗОЧНОЙ ДИАГРАММЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ

8.1 Формализация условий работы установки

8.2 Разработка алгоритма и программы управления

8.3 Разработка функциональной логической схемы

8.4 Выбор аппаратов

9. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ

9.1 Выбор аппаратов, проводов и кабелей

9.1.1 Выбор автоматических выключателей

9.1.2 Выбор сечения проводов

9.2 Составление таблицы перечня элементов электрооборудования производственной установки

10. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

11. ОХРАНА ТРУДА

11.1 Электробезопасность

11.2 Пожарная безопасность

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Актуальность данной темы обусловлено тем, что на сегодняшний день экологическая ситуация в больших городах мира в последние годы значительно ухудшается. В ряде стран вводятся жесткие нормы выбросов вредных веществ автомобилей. Это в первую очередь касается США, стран Западной Европы, Японии. Из года в год ухудшается экологическая обстановка и в Беларуси. Ежегодный прирост выбросов вредных веществ от автомобилей, эксплуатируемых в Минске, за последние 5−6 лет составил около 9%, а их валовой вклад в загрязнение окружающей среды превышает 87%. Кроме этого автомобильный транспорт является основным источником шума и создает 80% всех зон акустического дискомфорта. В городах с большой плотностью транспортных потоков автомобильные двигатели сжигают столько кислорода, что его доля в составе воздуха становится меньше «стандартных» 20,94%. Известно, что для сжигания 1 кг бензина требуется 14,7 кг воздуха, или 2,9 кг кислорода, уменьшение которого приводит к частичному сгоранию топлива. Это, в свою очередь, приводит к увеличенным выбросам вредных веществ, особенно монооксида углерода и углеводородов.

Электромобили в значительной мере могут решить указанные выше проблемы, однако на пути их создания встречаются большие технические и экономические трудности. В первую очередь — отсутствие развитой инфраструктуры заряда аккумуляторных батарей. Во вторую очередь — для электромобиля до сих пор не нашли источник энергии, способный конкурировать с ДВС. Таким образом, успех в решении этой задачи зависит от правильного выбора и расчета компонентов комбинированной энергетической установки. Исследования могут быть осуществлены как на основе экспериментальных данных, так и с помощью математического моделирования, что наиболее рационально и экономически целесообразно.

Практически все ведущие автомобилестроительные компании мира ведут работы по созданию электромобиля. Наибольшие успехи достигнуты в области комбинированных энергетических систем электромобилей. Это стало возможным из-за улучшения характеристик двигателей внутреннего сгорания и применения как емкостных накопителей энергии в качестве буферного источника мощности, так и импульсных аккумуляторных батарей, позволяющих осуществлять быстрый заряд и разряд при высоком к.п.д.

Сформулированная в данной работе проблема предполагает рациональное использование энергии традиционных жидких топлив в комбинированной электрической установке, решение которой может быть достигнуто минимизацией затрат энергии на движение автотранспортного средства, особенно автобусов в городских условиях.

Так же нужно отметить относительные сложности в поисках качественной отечественной литературы поданной теме.

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Описание промышленной установки и анализ технологического процесса

Тягово-тормозной модуль — высокоэкономичный модуль, основой которого является системы «электродвигатель — двигатель внутреннего сгорания», питаемой как горючим, так и зарядом электрического аккумулятора. Главное преимущество данного модуля — снижение расхода топлива и вредных выхлопов. Это достигается полным автоматическим управлением режима работы системы двигателей с помощью бортового компьютера, начиная от своевременного отключения двигателя во время остановки в транспортном потоке, с возможностью продолжения движения без его запуска, исключительно на энергии аккумуляторной батареи, и заканчивая более сложным механизмом рекуперации — использования электродвигателя как генератора электрического тока для пополнения заряда аккумуляторов.

Сутью модуля является идея организации принципа «электрической коробки передач», то есть замены механической коробки передач на электрические привода. Первоначально такая идея была воплощена в железнодорожном транспорте и большегрузных карьерных самосвалах. Причина применения такой схемы обусловлена огромными сложностями механической передачи управляемого крутящего момента на колеса мощного транспортного средства. Суть принципа заключается в том, что двигатель, работающий на обычном топливе, приводит в движение электрогенератор, и через систему управления нужное количество электроэнергии передаётся на электродвигатели, приводя в движение транспортное средство. Это похоже на электростанцию на электромобиле, вырабатывающую энергию для собственного движения. Что же каксатеся тягово-тормозного модуля, то схема его работы значительно модифицирована, в первую очередь добавлением аккумуляторной батареи, только в отличие от электромобиля менее ёмкой, а следовательно, более лёгкой.

Архитектура автомобилей с комбинированной электрической установкой строится в основном на трех структурах их тяговых систем — последовательной, параллельной и смешанной, которые имеют свои преимущества и недостатки.

При оценке целесообразности применения той или иной структуры комбинированной электрической установки необходимо учитывать циклы движения. Особенно в городских условиях.

Для оценки свойств комбинированной электрической установки существенное значение имеет сопоставление расходов топлива (л /100 км). Комбинированная электрическая установка по последовательной схеме более предпочтительна для движения в городе. В этом случае расход топлива составляет — от 60 до 75% от расхода топлива автобуса с ДВС.

ДВС — генераторную установку, как правило, компонуют либо спереди, либо сзади и очень редко внутри базы. Тяговую аккумуляторную батарею и тяговую конденсаторную батарею располагают по бокам автобуса для наилучшего доступа к ним с целью технического обслуживания. В качестве привода колес используют один тяговый электродвигатель с мостом и межколесным дифференциалом

Автобус МАЗ-203 — низкопольный городской автобус второго поколения Минского автомобильного завода. Высота пола по всей поверхности 330 мм от полотна дороги. Оснащен двигателем, соответствующий нормам Евро-3 с автоматической коробкой передач. В конструкции автобуса применены портальные мост и передняя ось. Технология изготовления кузова общая для всех автобусов МАЗ второго поколения — стекла вклеены в каркас, отсутствуют профили накладок на швах. Применено лобовое стекло панорамного типа. Передняя дверь МАЗ-203 такая же широкая, как и все остальные. В салоне может быть установлен кондиционер. МАЗ-203 полностью отвечает европейским требованиям для перевозки пассажиров, что позволит ему выйти на рынки стран ЕС.

Основные параметры и размеры приведены в таблице 1.1 и на рисунке 1.1.

Таблица 1.1 — Основные параметры и размеры автобуса МАЗ-203

1.2 Анализ взаимодействия оператор — промышленная установка

Оператор размещается в кабине, оборудованной системой управления климатом и управляет транспортным средством таким образом, который в определенной степени напоминает управление автомобилем с автоматической трансмиссией. Имеются три педали: вперед, задний ход и тормоз и рычаг механического тормоза. В нейтральном положении крутящий момент на валу привода отсутствует, и оператор может увеличивать число оборотов двигателя посредством нажатия на педаль. В положении «Вперед» или «Задний ход» при нажатии на педаль дросселя блок управления тяговым приводом интерпретирует положение педали как команду на получение определенного крутящего момента и регулирует уровень крутящего момента для создания необходимого тягового усилия, ускоряя транспортное средство и поддерживая необходимый уровень скорости. Движение в режиме заднего хода аналогично движению вперед, за исключением того, что направление крутящего момента является обратным, а активные ограничения скорости и значения линейного изменения крутящего момента, как правило, отличаются. При нажатии на педаль тормоза генерируется электрическая команда на создание тормозного момента и в соответствии с этим происходит замедление самосвала. Рычаг обеспечивает оператору независимое управление механическим (рабочим) тормозом.

При эксплуатации автобуса оператор должен выполнять следующие действия:

· проверить техническое состояние системы и узлов по внешнему виду;

· особенно внимательно осмотреть рулевое управление, рабочую и стояночную тормозные системы;

· проверить наличие топлива в топливном баке и охлаждающей жидкости в системе охлаждения;

· проверить уровень масла;

· проверить величину давления в камерах колес;

· если автобус находился долгое время без эксплуатации, необходимо проверить емкость заряда аккумуляторов;

· на стоянках необходимо вынимать ключ из замка-выключателя для исключения разрядки аккумуляторных батарей.

1.3 Анализ кинематической схемы. Определение параметров и составление расчетной схемы механической части

Механическая часть электромеханической системы включает в себя все связанные движущиеся массы: двигателя, передаточного устройства и исполнительного механизма установки. К ротору двигателя при скорости приложен электромагнитный момент М, под действием которого механическая часть приводиться в движение и на рабочем органе установки совершается предусмотренная технологией механическая работа.

Так как по заданию на курсовой проект нужно обеспечить линейную скорость, а диаметр колеса. Исходя из этих данных, кинематическая схема автобуса выглядит как показано на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 — Кинематическая схема электромеханического модуля На рисунке 1.2 приведены следующие обозначения:

1 — электродвигатель;

2 — фрикционная муфта, которая служит для уменьшения пульсаций;

3 — колесо;

4 — ДВС — двигатель внутреннего сгорания;

5 — д — дифференциал Необходимое передаточное число механической передачи автобуса определяется по формуле (1.1):

(1.1)

где DКдиаметр ведущих колес, принимаем DК =0.225 м;

nmaxмаксимальная скорость вращения тягового двигателя, мин-1;

Vmaxконструктивная максимальная скорость автобуса, км/ч.

Так как двигатель на данном этапе не выбран, то примем = 1500 обмин, за скорость автобуса примем скорость 65 кмч с допущением на то, что данную скорость автобус должен развивать при своей максимальной технической массе. Тогда по формуле (1.1):

.

Примем передаточное число кинематической передачи =2

2. ВЫБОР СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА И АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОМЫШЛЕННОЙ УСТАНОВКИ

2.1 Литературный обзор по теме дипломного проекта

Основным недостатком механических трансмиссий является ступенчатое изменение скорости, осуществляемое для использования полной мощности источника энергии при изменении тягового усилия, определяемого сопротивлением движению машины. Помимо этого, при переключениях передач тяговое усилие исчезает вследствие разрыва силового потока в трансмиссии.

Частичное устранение недостатков механических трансмиссий достигается установкой на входе коробки передач гидротрансформатора, а внутри ее — фрикционных муфт, обеспечивающих переключение передач под нагрузкой. Однако гидромеханические трансмиссии сложнее, дороже, тяжелее и имеют меньший к.п.д., чем механические трансмиссии.

Гидрообъемные и электрические трансмиссии свободны от недостатков механических и гидромеханических трансмиссий.

Трансмиссия с нерегулируемым гидродвигателем содержит одно звено, преобразующее энергию, — регулируемый насос с диапазоном регулирования 1:4 при постоянной мощности. В электротрансмиссиях имеется два бесступенчатых преобразователя энергии — генератор и двигатель, что позволяет изменять составляющие мощности в отношении 1:20 и шире. Это является основным преимуществом электрических трансмиссий, которое в сочетании с высокой надежностью обусловливает их практическое применение.

Принципиально возможны три разновидности электротрансмиссий: трансмиссии постоянного, переменного и переменно-постоянного тока.

Генератор постоянного тока, как правило, используется для питания тяговых двигателей постоянного тока мотор-колес.

В дизель-электрическом приводе нередко применяются синхронные генераторы, трехфазное напряжение которых преобразуется кремниевыми вентилями в постоянное (точнее, пульсирующее) и подается к двигателям. Такой привод называется приводом переменно-постоянного тока. Основным преимуществом синхронных генераторов является отсутствие коллектора, вследствие чего они более надежны, чем генераторы постоянного тока. Полупроводниковые выпрямители имеют высокую степень надежности, в особенности при выполнении их из неуправляемых вентилей. Поэтому надежность привода в целом повышается.

К.п.д. генераторов переменного тока несколько выше, чем постоянного, и с учетом потерь в выпрямителе можно считать оба привода приблизительно равноценными. Стоимость синхронного генератора с выпрямителем больше, чем генератора постоянного тока, из-за высокой стоимости полупроводниковых вентилей, но стоимость последних достаточно снизилась за последнее время.

Размеры и масса синхронного генератора зависят от его частоты вращения. При одинаковых частотах вращения генераторов переменного и постоянного тока (например, при соединении их с дизелем без повышающего редуктора) масса синхронного генератора меньше массы генератора постоянного тока на 15—25%, масса выпрямителя составляет приблизительно 5—10% массы генератора, так что общая масса несколько уменьшается. Более существенный выигрыш в размерах и массе можно получить, если применить повышающий редуктор между дизелем и синхронным генератором.

С генератором переменного тока могут быть реализованы универсальные трансмиссии: а) переменно-постоянного тока, когда за генератором включается управляемый или чаще неуправляемый выпрямитель; б) переменного тока, когда от синхронного генератора через преобразователи частоты (со звеном постоянного тока или непосредственной связью) питаются энергией асинхронные частотно-управляемые короткозамкнутые двигатели мотор-колес; в) переменного тока с вентильными двигателями, которые представляют собой быстроходные синхронные машины (обращенные двигатели постоянного тока), питаемые через инверторы, оборудованные сложными системами принудительной и машинной коммутации; г) переменного тока с двигателями, имеющими фазные роторы, и их статорные обмотки включены последовательно; д) переменного тока с двигателями, имеющими фазные роторы и управляемыми по схеме группового вентильного каскада.

Трансмиссии постоянного тока являются наиболее простыми, так как двигатели питаются от генератора без промежуточных силовых преобразователей и любые характеристики трансмиссии получаются регулированием магнитных потоков генератора и двигателей по цепи возбуждения. Мощность, необходимая для возбуждения, составляет 1,0—2,5% от номинальной мощности машин, поэтому регулировочные устройства могут быть маломощными.

Вместе с тем коллекторно-щеточный узел машин постоянного тока является наиболее слабым местом машины, и значительная доля неисправностей и повреждений в трансмиссии вызвана именно работой этих узлов. Это особенно важно для пневмоколесных машин, предназначенных для работы во внедорожных условиях, где повышается опасность попадания на коллектор пыли, влаги, грязи, вследствие чего резко снижается надежность работы коллектора. Бесколлекторные двигатели более надежны и менее чувствительны к указанным условиям работы.

Основной трудностью при применении бесколлекторных двигателей в транспортных средствах является сложность регулирования частоты вращения. В промышленном электроприводе асинхронные двигатели нашли широкое применение тогда, когда не требуется значительного изменения частоты вращения или она может изменяться ступенями. В последнем случае применяют двухи трехскоростные асинхронные двигатели с переключением полюсов. Для изменения частоты вращения в небольших пределах используют асинхронные двигатели с фазным ротором, в цепь которого включают реостаты, конденсаторы или полупроводниковые устройства. Применяют также схемы с каскадным соединением двух асинхронных двигателей. Частоту вращения асинхронных короткозамкнутых двигателей в небольших пределах изменяют включением в цепь статора магнитных усилителей или полупроводниковых устройств. Все эти способы применяются при постоянной частоте питающего тока и не обеспечивают экономичного регулирования частоты вращения в широких пределах.

В транспортных средствах двигатели постоянно соединены с большой массой, при трогании с места они должны развивать наибольший момент. Скорости, если даже исключить кратковременные пусковые режимы, изменяются в широких пределах, в особенности для машин повышенной проходимости. Частота вращения двигателей может изменяться только плавно и относительно медленно из-за большой массы транспортного средства. Поэтому указанные выше способы ее регулирования могут быть использованы в отдельных частных случаях, когда самоходная машина должна работать лишь в узком диапазоне скоростей.

В автономных транспортных средствах можно изменять частоту питающего тока асинхронных двигателей изменением частоты вращения теплового двигателя. Однако дизель и газотурбинная установка с блокированной тяговой турбиной допускают изменение частоты вращения лишь в относительно небольшом диапазоне, при этом с понижением частоты вращения уменьшается мощность. Следовательно, это возможно лишь при многоступенчатом переключении полюсов машин переменного тока, что усложняет их конструкцию и трансмиссию в целом. В большей степени этот способ может оказаться приемлемым при использовании газотурбинной установки со свободной тяговой турбиной, к. п. д. и мощность которой сохраняются относительно высокими в пределах частот вращения 0,5—1,0 номинальной. Такой диапазон также недостаточен и требует либо дополнительных переключений полюсов, хотя и при меньшем числе переключений, либо выполнения двигателей с очень высоким скольжением. Этот способ неприемлем в тех случаях, где по условиям привода рабочих и вспомогательных механизмов необходима работа теплового двигателя при постоянной частоте вращения[2].

Основным способом регулирования скорости транспортных средств с асинхронными двигателями является изменение частоты тока, питающего двигатели, независимо от частоты тока генератора, приводимого тепловым двигателем. Для этого используют преобразователи частоты, в которых выходную частоту тока можно изменять независимо от входной.

Трехфазное напряжение генератора подводится к преобразователям частоты ПЧ, которые весьма разнообразны по схеме и принципам действия. Наиболее часто применяемые преобразователи можно разделить на две группы: преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока (ПЧПТ) и преобразователи с непосредственной связью входной и выходной цепи, кратко называемые непосредственными преобразователями (НПЧ).

В ПЧПТ трехфазное напряжение генератора преобразуется выпрямителем в постоянное напряжение, которое подается на вход инверторов, где преобразуется в трехфазное напряжение переменной частоты. К инверторам присоединены тяговые двигатели. В НПЧ одни и те же тиристоры поочередно работают в выпрямительном и инверторном режимах. Управление тиристорами осуществляется как по входной частоте тока, получаемой от генератора, так и по выходной частоте, которая задается системой управления.

При асинхронных тяговых двигателях возможны три варианта выполнения преобразователей частоты: 1) общий преобразователь для всех двигателей; 2) несколько преобразователей присоединены к общим шинам, к которым параллельно присоединены все двигатели; 3) каждый двигатель соединен с отдельным преобразователем.

Для мотор-колесных машин первый и второй варианты использовать затруднительно вследствие существенной разницы в радиусе качения, зависящем от давления внутри шины, вертикальной нагрузки на колесо, разницы сопротивлений качению различных колес и т. п. Кроме того, при повороте машины колеса разных бортов имеют различные скорости. Поэтому для приемлемого распределения нагрузки между двигателями необходимо либо выполнять их с очень высоким скольжением, что увеличивает размеры двигателя и снижает его к. п. д., либо предусматривать возможность изменения частоты питающего тока каждого двигателя, для чего каждый двигатель должен управляться от своего преобразователя. Упругая деформация шин уменьшает неравномерность распределения нагрузки. При использовании ПЧПТ выпрямитель может быть как общим для всех или группы инверторов, так и индивидуальным для каждого. В приводе с синхронными двигателями инверторы в ПЧПТ или НПЧ должны обязательно выполняться индивидуальными для каждого двигателя.

Одним из недостатков привода переменного тока является сложность преобразователей частоты и системы управления приводом. Силовая часть и система управления преобразователем частоты содержат бесконтактные полупроводниковые элементы, каждый из которых является высоконадежным. Однако благодаря большому числу элементов общая вероятность отказов в преобразователе еще достаточно высока, и до настоящего времени, как показывают предварительные расчеты и результаты опытов, преобразователи частоты по надежности уступают генератору и двигателям. Поэтому разработки и исследования по этим системам ведутся главным образом в направлении повышения надежности преобразователей путем разработки более совершенных систем управления и создания таких условий работы вентилей, при которых вероятность отказов в работе минимальна.

К недостаткам приводов с преобразователями частоты следует также отнести искажения формы кривых силы тока и напряжения, вызываемые работой преобразователя, что увеличивает потери в генераторе и двигателях.

2.2 Формулирование требований к автоматизированному электроприводу и системе автоматизации

К автоматизированному электроприводу предъявляются следующие требования:

· минимальная скорость, развиваемая автобусом —, максимальная скорость -. Диапазон регулирования — ;

· способность преодоления подъема со средними продольными уклонами 5% с отдельными участками до 8% протяженностью 1500 м и максимальными уклонами не более 10% на длине не более 100 м;

· температура окружающей среды от -40 С до 65 С (без выпадения влаги);

· относительная влажность воздуха до 98%;

· разгон и торможение должны обеспечиваться с ускорением, равным .

В тяговом электроприводе обычно используется следующий закон управления: На малых скоростях используется закон постоянства момента, т.к. при разгоне, а так же возникновений препятствий на дороге (яма, выбоина, неровности асфальта и д.р.) необходимо поддерживать постоянный момент, а при скоростях ближе к номинальной и выше используется закон постоянства мощности. Но т.к. в данном курсовом проекте тяговый электродвигатель используется только при разгоне и торможении целесообразно применять закон постоянства момента.

2.3 Определение возможный вариантов и выбор рациональной системы электропривода

Возможные варианты тяговых приводов приведены в пункте 2.1 данного дипломного проекта. Резюмируя изложенное там, можно увидеть, что в качестве тягового двигателя в данной системе электропривода может применяться либо двигатель постоянного тока, либо асинхронный двигатель или шаговый двигатель.

Применение двигателя постоянного тока нерационально из-за больших размеров двигателей требуемой мощности, также из-за больших потерь и проблем со щёточным коллектором.

Наиболее перспективным выглядит применение асинхронных двигателей вкупе с преобразователем частоты, из-за легкости регулирования и хороших статических и динамических свойств данной системы,

2.4 Проектирование функциональной схемы автоматизированного электропривода

Функциональная схема содержит определенный набор устройств или блоков, каждый из которых предназначен для выполнения определенных функций.

Проектируемая функциональная схема электропривода тягово-тормозного модуля на рисунке 2.1. Силовая часть состоит из аккумуляторной батареи и преобразователя, состоящего из линии связи по постоянному току и трехфазного инвертора.

Постоянное напряжение сети поступает на инвертор, после чего транзисторный инвертор с использованием широтно-импульсной модуляции с помощью заданной последовательности коммутации IGBT — транзисторов преобразует напряжение постоянного тока посредством ШИМ в трехфазное переменное напряжение с переменной частотой. Транзисторы обеспечивают высокую скорость переключения (с несущей частотой 10 кГц).

На рисунке 2.1 предполагается использование обратной связи по току (датчики тока). Данные по обратным связям поступают на микроконтроллер, где они обрабатываются и в соответствии с заданной программой поступает сигнал на блок управления, который в свою очередь управляет ключами инвертора.

Рисунок 2.1 — Проектируемая функциональная схема автоматизированного электропривода.

На рисунке 2.1 приведены следующие обозначения:

АИН — автономный инвертор напряжения;

М — электродвигатель;

ДТ1,ДТ2 — датчики тока;

МК — микроконтроллер;

БУ — блок управления;

ДВС — двигатель внутреннего сгорания;

ЗУ — зарядное устройство;

ДАБ — датчик аккумуляторной батареи;

ДМ — датчик момента;

ДСД — датчик скорости двигателя.

Система работает следующим образом: при нажатии на педаль, «Вперед» задание с БУ подается на ДВС и АД, разгон происходит за счет АД до 1400об/мин, что соответствует оптимальному режиму дизеля. Оптимальным режимом дизеля будем считать режим минимального расхода топлива и минимальным выбросом выхлопных газов. При достижении на дизеле момента равного, что соответствует 1400 об/мин, дизель начинает работать в оптимальном режиме, а АД переходит в генераторный режим и происходит накапливание энергии. На дизеле изначально стоит датчик момента. В зависимости от отклонения момента АД работает то в генераторном режиме, то в двигательном. Например, при увеличении нагрузки момент увеличивается и с датчика момента идет сигнал в МК, с которого на БУ подается сигнал на включение АД в тяговый (двигательный) режим. Если же с датчика АБ появился сигнал о заполнении НЭЭ, то сигнал с МК поступает на БУ и идет отключение АД.

При нажатии на педаль «тормоз» происходи рекуперация энергии с отдачей ее в НЭЭ. На случай аварии предусмотрен механический тормоз.

3.ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

3.1 Расчет нагрузок и построение механической характеристики и нагрузочной диаграммы механизма

Для проведения расчета воспользуемся типовой скоростной диаграммой (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 — Типовая скоростная диаграмма

Участок t0-t1 — разгон от нулевой скорости до установившейся скорости движения (режим тяги);

t1-t2 — режим работы ДВС с постоянной скоростью (тяговый двигатель отключен);

t2-t3 — уменьшение скорости до скорости, близкой к маневровой (режим торможения);

t3-t4 — режим «дотягивания»;

t4-t5 — время стоянки на остановочном пункте.

Определим статическую силу сопротивления качению:

(3.1)

где Fкач — сила трения качения (3.3);

Fск — сила трения скольжения в подшипниках ступицы, определяется по формуле (3.4);

Fукл — сила действия уклона (примем среднее значение уклона 4°), определяется по формуле (3.2);

Fсопрветра — сила сопротивления воздушной массы, определяется по формуле (3.6).

(3.2)

где G — вес автобуса:

Н

где m — масса автобуса. Примем m = 26 т.

Определим значения Fкач, Fск и Fукл:

(3.3)

где — коэффициент трения качения ходовых колес, примем значение = 0,003 м;

RК — радиус колеса; RК=0,225 м.

Тогда:

Н;

; (3.4)

где — коэффициент трения скольжения в подшипниках колес, примем =0,06;

Rц — радиус цапфы ходового колеса; Rц=0,1 м.

Н;

Н.

Определим значения Fсопрветра:

(3.5)

Где — коэффициент, учитывающий аэродинамические характеристики кузова трамвая, примем значение = 0,08;

— площадь фронтальной поверхности кабины, которая испытывает сопротивление ветра. = 7.7775м;

— скорость ветра, примем =5 мс;

— номинальная скорость трамвая, принята =65кмч=18мс;

Определим моменты механизма:

— при движении вверх по уклону, двигательный режим:

где — КПД трансмиссии; =0.9.

Нм

— при движении вверх по уклону, тормозной режим:

Нм

— при движении вниз по уклону, двигательный режим:

Нм

— при движении вниз по уклону, тормозной режим:

Нм

— при движении по горизонтальному участку, двигательный режим:

Нм

— при движении по горизонтальному участку, торможение:

Нм

Рассчитаем теперь момент инерции привода, чтобы далее определить угловые и линейные замедления.

Момент инерции привода определим по формуле:

(3.5)

где Jдв — момент инерции двигателя;

Jбыстрмомент инерции быстроходного вала;

Jтих — момент инерции тихоходного вала;

Jшассимомент инерции шасси автобуса.

Момент инерции шасси автобуса определим по формуле:

где m — масса автобуса.

кг· м2.

Момент инерции тихоходного вала определим как сумму моментов инерции четырех колес автобуса. Момент инерции колеса будем определять как момент инерции диска:

;

где mК — масса колеса, mК=25 кг.

кг· м2.

Так как двигатель еще не выбран, то его момент инерции, и момент инерции связанного с ним быстроходного вала определим примерно как 15% от суммы. Таким образом:

кг· м2.

По формуле 3.5 определяем момент инерции привода:

кг· м2.

Рассчитаем теперь параметры нагрузочной диаграммы для горизонтального участка протяженностью 1000 м. Время разгона определим по формуле:

где Vном — номинальная скорость движения, Vном=65 км/ч=18 м/с;

V0 — начальная скорость движения, V0=0 м/с;

— ускорение автобуса при разгоне, =1 м/с2.

с.

Время торможения до маневровой скорости составит:

с.

Время дотягивания определим как:

с.

Протяженность пути разгона определим по формуле:

м;

Дистанция торможения определяется по соотношению:

м

Определим путь установившегося движения, когда работает ДВС:

где S1 — общая протяженность участка, S1=1000 м.

м.

Время движения на установившейся скорости (Vном) составит:

с.

Построим теперь нагрузочную диаграмму для горизонтального участка движения протяженностью 1000 м.

На основании полученных данных строим нагрузочную диаграмму (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 — Нагрузочная диаграмма для прямолинейного участка протяженностью 1000 м

На рассматриваемом участке двигатель работает

с.

Определим величину эквивалентного момента для этого участка по формуле 3.6.

(3.6)

Подставив в формулу 3.6 численные значения, получим:

Нм

Для прямолинейного участка движения продолжительностью 1500 м все параметры нагрузочной диаграммы, за исключением времени и продолжительности участка движения с установившейся скоростью, аналогичны параметрам нагрузочной диаграммы, построенной для участка движения протяженностью 1500 м.

с; м;

с; м;

с; м.

Определим протяженность участка движения с установившейся скоростью.

где S2 — общая протяженность участка, S2=1500 м.

м.

Время движения на установившейся скорости составит:

с.

Все значения статических моментов рассчитываемой нагрузочной диаграммы идентичны значениям статических моментов для нагрузочной диаграммы, рассчитанной для прямолинейного участка протяженностью 1000 м.

Определим эквивалентный момент для рассчитываемого участка движения. Определим время работы двигателя на этом участке:

с.

Определим величину эквивалентного момента для этого участка по формуле 3.7.

(3.7)

Подставив в формулу 3.7 численные значения, получим

Нагрузочная диаграмма участка изображена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 — Нагрузочная диаграмма для прямолинейного участка протяженностью 1500 м

Определим параметры нагрузочной диаграммы для участка с движением под уклон.

Время разгона составляет с.

Время торможения до маневровой скорости составит:

с.

Время дотягивания c. Протяженность пути разгона составляет м.

Протяженность торможения определяется по соотношению:

м.

Определим путь установившегося движения:

где S3 — общая протяженность участка, S3=700 м.

м.

Время движения на установившейся скорости составит:

с.

Нагрузочная диаграмма изображена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 — Нагрузочная диаграмма для участка движения под уклон

На рассматриваемом участке двигатель находится под нагрузкой

с.

Определим величину эквивалентного момента для этого участка по формуле 3.8.

(3.8)

Подставив в формулу 3.8 численные значения, получим

Рассчитаем параметры и построим нагрузочную диаграмму для участка движения с уклона. Время разгона составляет с.

Время торможения до маневровой скорости составит:

с.

Время дотягивания c. Протяженность пути разгона составляет м.

Дистанция торможения определяется по соотношению:

Определим путь установившегося движения:

где S4 — общая протяженность участка, S4=700 м.

м.

Время движения на установившейся скорости составит:

с.

На рассматриваемом участке двигатель находится под нагрузкой

с.

Определим величину эквивалентного момента для этого участка по формуле 3.9.

(3.9)

Подставив в формулу 3.9 численные значения, получим:

Нагрузочная диаграмма для этого участка движения изображена на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 — Нагрузочная диаграмма для участка движения с уклона

3.2 Предварительный выбор двигателя по мощности

Для выбора мощности двигателя воспользуемся методом эквивалентных моментов, а затем, когда определим параметры двигателя, уточним полученные результаты методом эквивалентных потерь.

Определим статический эквивалентный момент, как для двигателя, работающего в длительном циклическом режиме с переменной нагрузкой по формуле:

где Мci — статический момент на i-ом интервале нагрузочной диаграммы механизма;

ti — продолжительность i-го интервала;

tц — время цикла;

n — число интервалов в цикле.

Время цикла определим как сумму всех времен участков движения, времен стоянок на остановочных пунктах и времени стоянки на конечном пункте. Примем время стоянки на остановочном пункте tост=30с, время стоянки на конечном пункте tкон=20 мин=1200 с. Тогда время цикла определим как:

где — полное время движения на i-ом участке.

с

;

;

;

;

Нм.

Мощность двигателя определим из соотношения

где k — коэффициент запаса по мощности, примем значение k= 2;

— расчетная угловая скорость двигателя, определим ее как

n — количество электродвигателей.

= с-1.

Вт.

3.3 Выбор номинальной скорости двигателя и типоразмера двигателя

Зная, что при об/мин и Нм дизель работает с наименьшим расходом и наименьшим выхлопом, а так же т.к. электродвигатель и дизель соединены жестко на валу, то подберем более подходящий по габариту электродвигатель.

Номинальный момент при об/мин:

.

Номинальный момент при об/мин:

.

Исходя из рассчитанной мощности, выберем из справочника тяговый двигатель 4А355M4У3. Его параметры сведены в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 — Технические параметры двигателя 4А355M4У3

Синхронная скорость вращения двигателя:

.

Номинальная скорость вращения двигателя:

.

Рассчитаем передаточное число редуктора:

.

Номинальный ток двигателя:

.

3.4 Построение нагрузочной диаграммы электропривода

Для построения нагрузочных диаграмм электропривода необходимо сначала рассчитать динамические моменты. Найдем величины динамических моментов:

— при разгоне:

где — угловое ускорение вала двигателя при разгоне:

рад/с2

Нм;

— при торможении

где — угловое замедление вала двигателя при торможении:

рад/с2

Нм;

Используя рассчитанные в подпункте 3.1 пути, времена движения и статические моменты, последовательно построим нагрузочные диаграммы для каждого участка движения.

Построим нагрузочную диаграмму для горизонтального участка движения протяженностью 1000 м.

При разгоне необходимый крутящий момент на валу двигателя определяется как сумма динамического момента при разгоне и статического момента при разгоне, приведенного к валу двигателя:

Нм;

затем нагрузка будет равна

Нм;

при торможении нагрузка составит

Нм.

При дотягивании до остановки момент будет равен Нм. На основании полученных данных строим нагрузочную диаграмму (рисунок 3.6).

Рисунок 3.6 — Нагрузочная диаграмма для прямолинейного участка протяженностью 1000 м

На рассматриваемом участке двигатель работает

с.

Определим величину эквивалентного момента для этого участка по формуле 3.10.

(3.10)

Подставив в формулу 3.10 численные значения, получим

Нм

Для прямолинейного участка движения продолжительностью 1500 м все параметры нагрузочной диаграммы, за исключением времени и продолжительности участка движения с установившейся скоростью, аналогичны параметрам нагрузочной диаграммы, построенной для участка движения протяженностью 1000 м.

Все значения моментов рассчитываемой нагрузочной диаграммы идентичны значениям моментов для нагрузочной диаграммы, рассчитанной для прямолинейного участка протяженностью 1000 м.

Определим эквивалентный момент для рассчитываемого участка движения. Определим время работы двигателя на этом участке:

с.

Определим величину эквивалентного момента для этого участка по формуле 3.11.

(3.11)

Подставив в формулу 3.11 численные значения, получим:

Нагрузочная диаграмма участка изображена на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7 — Нагрузочная диаграмма для прямолинейного участка протяженностью 1500 м

При разгоне на участке, имеющем подъем, необходимый крутящий момент на валу двигателя определяется как сумма динамического момента при разгоне и статического момента при разгоне, приведенного к валу двигателя:

Нм;

затем нагрузка будет равна

Нм;

при торможении нагрузка составит

Нм.

При дотягивании до остановки момент будет равен

Нм.

На рассматриваемом участке двигатель находится под нагрузкой

с.

Определим величину эквивалентного момента для этого участка по формуле 3.12.

(3.12)

Подставив в формулу 3.12 численные значения, получим:

Нагрузочная диаграмма изображена на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 — Нагрузочная диаграмма для участка движения под уклон

При разгоне с уклона необходимый крутящий момент на валу двигателя определяется как сумма динамического момента при разгоне и статического момента при разгоне, приведенного к валу двигателя:

Нм;

затем нагрузка будет равна

Нм;

при торможении нагрузка составит

Нм.

При дотягивании до остановки момент будет равен

Нм.

На рассматриваемом участке двигатель находится под нагрузкой

с.

Определим величину эквивалентного момента по формуле 3.13.

(3.13)

Подставив в формулу 3.13 численные значения, получим

Нм

Нагрузочная диаграмма изображена на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 — Нагрузочная диаграмма для участка движения с уклона

3.5 Проверка выбранного электродвигателя по нагреву и перегрузочной способности

Так как выбранный электродвигатель в системе электропривода работает при примерно постоянном магнитном потоке, то среднеквадратичный (эквивалентный) момент двигателя отражает его среднюю температуру нагрева. Поэтому для длительного режима работы с переменной нагрузкой (ПВ=100%) можно найти эквивалентный момент двигателя за время цикла tц с учетом ухудшения условий охлаждения

(3.3)

где — электромагнитный момент двигателя на i-ом участке упрощенной нагрузочной диаграммы электропривода;

— временной интервал i-го участка;

— коэффициент охлаждения самовентилируемого двигателя на i-ом участке, рассчитываемый по формуле:

где — средняя угловая скорость на i-ом участке;

— коэффициент ухудшения охлаждения при неподвижном роторе двигателя. =0,45−0,55 для закрытых самовентилируемых двигателей.

На горизонтальном участке расстоянием 1000м:

;

;

;

На горизонтальном участке расстоянием 1500м:

;

.

;

При движении вверх под уклон:

;

.

;

При движении вниз с уклона:

;

;

Найдем эквивалентный момент:

Предварительно выбранный электродвигатель будет удовлетворять условиям нагрева, если:

— условие выполняется, следовательно, данный электродвигатель удовлетворяет условиям нагрева.

Электродвигатель будет удовлетворять условиям перегрузки, если максимальный момент нагрузочной диаграммы электропривода не превышает максимально допустимого момента для данного двигателя, т. е.

.

Максимальный момент нагрузочной диаграммы имеет место во время разгона автобуса при движении под уклон

По каталожным данным двигателя [3]

тогда

— условие выполняется, следовательно выбранный двигатель удовлетворяет условиям перегрузки.

4. ВЫБОР КОМПЛЕКТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

4.1 Определение возможных вариантов и обоснование выбора типа комплектного преобразователя

Для реализации выбранного закона частотного управления электроприводом выберем преобразователь частоты, выполненный на инверторе напряжения с использованием ШИМа.

При использовании частотного преобразователя пуск двигателя происходит плавно, без пусковых токов и ударов, что уменьшает нагрузку на двигатель и механику, увеличивает срок их службы.

Применение частотных преобразователей с обратной связью обеспечивает точное поддержание скорости вращения при переменной нагрузке, что во многих задачах позволяет значительно улучшить качество технологического процесса.

Для питающей сети преобразователь является чисто активной нагрузкой и потребляет ровно столько энергии, сколько требуется для выполнения механической работы (с учётом КПД преобразователя и двигателя).

Частотный преобразователь позволяет регулировать выходную частоту в пределах 0…400 Гц. Разгон и торможение двигателя осуществляется плавно

(по линейному закону), время разгона и торможения можно настраивать в пределах 0.1…30 мин. Возможен плавный реверс двигателя. При разгоне происходит автоматическое увеличения момента для компенсации инерционной нагрузки. Момент при пуске достигает 150% от номинального.

Частотные преобразователи обеспечивают полную электронную защиту преобразователя и двигателя от перегрузок по току, перегрева, утечки на землю. Преобразователь позволяет отслеживать и отображать на цифровом пульте основные параметры системы — заданную скорость, выходную частоту, ток и напряжение двигателя, выходную мощность и момент, состояние дискретных входов, общее время работы преобразователя и т. д. В зависимости от характера нагрузки можно выбрать вольт-частотную характеристику или создать свою собственную.

В настоящее время существует множество фирм — производителей частотных преобразователей («Siemens», «Mitsubishi», «ABB» и др.).

Инверторы управляются микропроцессором. Специальный метод широтно-импульсной модуляции обеспечивает исключительно тихую работу двигателя. Защита инвертора и двигателя обеспечивается различными защитными функциями.

Выбор преобразователя для регулируемого электропривода выполняется по номинальному напряжению и току на входе и выходе, максимально допустимому моменту и току в переходном процессе:

автоматизированный электропривод двигатель

Для данного преобразователя проверяем условие возможности работоспособности при кратковременном токе, соответствующему максимальному моменту электропривода:

А

Из выбираем преобразователь частоты MITSUBISHI ELECTRIC

FR-A540−375k технические характеристики данного преобразователя приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 — Технические параметры преобразователя частоты

При использовании данного преобразователя условие работы на максимальном моменте выполняется:

где — максимальный ток преобразователя, А;

— максимальный кратковременный ток электропривода, А.

Таким образом, данный преобразователь выбран верно.

4.2 Расчет параметров и выбор элементов силовой цепи

Выбор аккумуляторной батареи:

где — КПД кинематической цепи;

— КПД электродигателя;

— КПД использования АБ.

.

Заказываем изготовление аккумуляторной батареи, выходное напряжение 600 В постоянного тока.

Энергия, вырабатываемая в процессе торможения должна накапливаться на накопителе, но в данном технологическом процессе возможен режим торможения при полностью заряженном накопителе, в таком случае энергия должна рассеиваться на внешнем тормозном резисторе.

Произведём расчет тормозного резистора :

где — мощность освобожденная за время торможения ;

— коэфициент учитывающий потери в двигателе, инверторе и механизме ;

Сопротивление тормозного резистора определяем по формуле:

где — напряжение звена постоянного тока;

4.3 Выбор датчиков регулируемых координат электропривода

Для измерения напряжения в аккумуляторной батарее используем датчик производства фирмы «Маглем» LV 100/SP51. Данный датчик построен по принципу преобразования входного тока, пропорционального приложенному напряжению (постоянному, переменному, импульсному и т. д.) в пропорциональный выходной ток с гальванической развязкой между первичной (силовой) и вторичной (измерительной) цепями. Параметры выбранного датчика приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 — Параметры датчика напряжения LV 100/SP51

Принцип действия данного датчика основан на преобразовании измеряемого напряжения, подаваемого на входные клеммы датчика через внешний нагрузочный резистор. Схема подключения датчика показана на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 — Схема подключения датчика напряжения LV 100/SP51

Выход «м» является информационным выходом. На входы питания подается питающие напряжение В.

5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

5.1 Разработка математической модели автоматизированного электропривода

Для математического описания трехфазного асинхронного двигателя целесообразно принять следующие допущения:

— намагничивающие силы обмоток двигателя распределены синусоидально вдоль окружности воздушного зазора;

— магнитная проницаемость стали много больше чем у воздуха;

— отсутствуют потери на гистерезис и вихревые токи;

— потери в стали статора и ротора отсутствуют;

— обмотки статора и ротора строго симметричны со сдвигом осей обмоток на 1200;

— насыщение магнитной цепи отсутствует.

Существует метод математического описания асинхронного электропривода с преобразователем частоты, основанный на полных дифференциальных уравнениях асинхронного двигателя записанных на базе теории обобщенной электрической машины. Такой подход позволяет построить структуру системы управления частотным электроприводом называемую системой векторного управления и осуществить анализ и синтез асинхронного электропривода более простыми методами. Для этой цели управляемые координаты электропривода, измененные в неподвижной системе координат, преобразуются к вращающейся системе координат, в которой координаты электропривода рассматриваются как векторные величины. Из этих величин, расположенных в виде проекций на вращающиеся оси координат, путем координатных преобразований, выделяются пропорциональные или постоянные величины координат электропривода, которые используются в качестве сигналов управления в системе электропривода.

Дифференциальные уравнения асинхронного двигателя

где, , , — проекции вектора напряжения и тока статора двигателя на оси и ;

— модуль результирующего вектора потокосцепления ротора;

— круговая частота скольжения ротора относительно поля ротора.

Синтез и анализ системы удобнее проводить в координатной системе (x, y). Для этого фазные величины трёхфазной машины преобразуют к соответствующим величинам эквивалентной двухфазной машины в неподвижной координатной системе (,), а затем в координатную систему вращающуюся со скоростью потокосцепления ротора 0 — (x, y).