Создание системы адаптивного управления процессом заряда тяговых аккумуляторных батарей: На примере шахтных тяговых аккумуляторных батарей

Основные результаты выполненного исследования заключаются в следующем.

1. На основании экспериментальных исследований динамики теплового с о-стояния батарей типа 161ТНКШ-550-У5, 88ТНК-400-У5 и 112ТНЖ-350-У5, выполненных согласно разработанной методике, установлено, что каждая секция батареи имеет четыре выраженных зоны равных темпер а-тур электролита, причем, наиболее тяжелый температурный режим н а-блюдается у аккумуляторов центральной зоны каждой секции ТАБ, на основании чего сделан вывод о целесообразности управления процессом заряда с контролем температуры электролита аккумуляторов центральных зон соответствующих секций батарей.

2. Предложены номограммы для определения количества подлежащих ко н-тролю аккумуляторов, в секциях различных типов ТАБ, с целью получ е-ния объективной информации о тепловом состоянии бат ареи.

3. Исследованы закономерности динамики теплового состояния рассматр и-ваемых типов ТАБ, отражающие зависимость температуры электролита аккумуляторов в функции времени и тока заряда, на основании которых предложены новые математические модели батарей как объекта САУ процессом заряда с методикой идентификации п араметров этих моделей.

4. Разработана методика количественной оценки изменения параметров м а-тематических моделей в процессе заряда ТАБ с различной фактической разрядной емкостью. Установлено, что тяговая аккумуляторная батарея с фактической разрядной емкостью более 0.6*0.7- СНом может быть представлена как объект управления одной математической моделью с пост оянными параметрами (вариант А), а ТАБ с емкостью менее 0.6 +0.7 • СНом — двумя вариантами (А и D) математических моделей с существенно п е-ременными параметрами.

5. Разработан метод прогнозирования температуры электролита ТАБ, осн о-ванный на использовании выбранного по результатам пробного возде й-ствия стабилизированным током заряда варианта математической модели теплового состояния батареи как объекта управл ения.

6. Разработаны двухступенчатый способ заряда ТАБ с прогнозированием температуры электролита, основанный на использовании одной матем атической модели батареи (вариант А) с постоянными параметрами п о-зволяющий обеспечить сообщение батарее заданной емкости за минимально возможное время при ограничении температуры электролита и тока заряда допустимыми значениями, функциональная структура сист е-мы адаптивного управления процессом заряда с алгоритмом ее функци о-нирования и программой работы микр оЭВМ.

7. Разработаны многоступенчатый способ заряда ТАБ с адаптивной корре к-цией зарядного тока, основанный на использовании двух математических моделей (вариант, А и D) с существенно переменными параметрами, п о-зволяющий по сравнению с выше рассмотренным повысить точность прогноза температуры электролита при заряде батарей с фактической разрядной емкостью менее 0.6−5-0.7'Сном, которые подлежат списанию, но находятся в эксплуатации в связи с дефицитом аккумуляторов.

8. Разработано схемное решение и изготовлена система автоматического контроля температуры электролита ТАБ, испытания которой показали, что она работоспособна и отвечает заданным техническим требован иям.

9. Созданная система адаптивного управления процессом заряда ТАБ после натурных испытаний на батареях типа 112ТНЖ-350-У5 и 161ТНКШ-550-У5, показавших ее работоспособность передана в АО СШМНУ (специ а-лизированное шахтно-монтажное наладочное управление) АО УК «Куз-нецкуголь» для практического использ ования.

Заключение

.

В диссертационной работе дано решение актуальной задачи повыш е-ния эффективности эксплуатации шахтных тяговых аккумуляторных бат а-рей за счет увеличения срока их службы путем оптимиз ации режима заряда.

1. Теньковцев В. В., Леви М. Ш. Н., Толыпина Н. Ф. Тенденции и перспективы развития производства и научных исследований в области герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов: Обзор. -М.: Информэлектро, 1979. -76 с. ДСП.

2. Пугачев Е. В. Методы и технические средства повышения эффективности эксплуатации аккумуляторных источников питания в системах шахтного электрооборудования: Дис.докт. техн. наук. -Ленинград, 1988, -291с. ДСП.

3. Теньковцев В. В., Центер Б. И. Основы теории и эксплуатации герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов. -Л.: Энергоатомиздат, 1985. -96 с.

4. Согласование работы электрохимического источника тока и преобразователя напряжения / Г. Н. Максимов, Н. В. Коровин, В. Г. Еременко и др. // Электротехника. -1977. -№ 2. -С. 54−55.

5. Кромптон Т. Вторичный источник тока: Пер. с англ. -М.: Мир, 1985. -384 с.

6. Щелочные тяговые никель-железные батареи для рудничных электровозов: Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ФЮО. 358.199.ТО.

7. ГОСТ 15 596–82. Источники тока химические. Термины и определения = Current generator cells. Terms and definitions. -Взамен ГОСТ 15 596–78: Введ. 01.07.82. -M.: Изд-во стандартов, 1982. -13 е.: ил. 109.

8. Подземный транспорт шахт и рудников: Справочник / Л. И. Айзеншток, Э. Я. Базер, И. Я. Бердичевский и др.- Под общ. ред. Г. Я. Пейсаховича, И. П. Ремизова. -М.: Недра, 1985. -565 с.

9. Беляев Б. В. Работоспособность химических источников тока. -М.: Связь, 1979. -112 с.

10. Марченко Г. П., Сагоян Л. Н. Влияние зарядного тока и температуры на характеристики металлокерамических кадмиевых электродов щелочного аккумулятора // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1980. -Т. 23. -№ 7. -С. 866−868.

11. Марченко Г. П. Антоненко П.А. Сагоян Л. Н. Исследование возможности быстрого заряда щелочных аккумуляторов: Сообщ. 2 // Вопросы химии и химической технологии. -Харьков, 1980. -№ 59. -С. 67−69.

12. Марченко Г. П. Антоненко П.А. Сагоян Л. Н. Исследование возможности быстрого заряда щелочных аккумуляторов: Сообщ. 5 // Вопросы химии и химической технологии. -Харьков, 1983. -№ 70. -С. 79−80.

13. Исследование возможности быстрого заряда щелочных аккумуляторов / П. А. Антоненко Г. П.Марченко Л. Н. Сагоян В.А.Галеза // Вопросы химии и химической технологии. -Харьков, 1983. -№ 71. -С. 75−78.

14. Пугачев Е. В. Разработка и исследование групповых автоматизированных зарядных устройств для рудничных тяговых аккумуляторных батарей: Дис. канд. техн. наук: 05.173. -Защищена 19.06.70. Утв. 19.02.71- К37 231. Кемерово, 1970. -206 с.

15. Веников В. А. Теория подобия и моделирования. Учеб. пособие для вузов. Изд. 2-е, доп. и перераб. -М.: Высш. школа, 1976. -479 с.

16. Новаковский A.M., Дробышевский В. Н. Срок службы и причины выхода из строя вагонных железо-никелевых аккумуляторов // Сб. работ по хим. источникам тока. -JL, 1972. -Вып. 7. -С. 155−160.

17. Болдин Р. В., Аквулатова А. Д., Мельникова Т. А. Расчет изменения концентрации электролита в электродах герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов при заряде и разряде // Химические источники тока: Сборник науч. тр. / ВНИАИ. -Л., 1983. -С. 47−51.

18. Моделирование динамики распределение процесса по высоте электродов при разряде и заряде никель-кадмиевого аккумулятора / В. П. Мороз, В. З. Барсуков, Н. Н. Милютин, Л. Н. Сагоян // Сб. работ по хим. источникам тока. -Л., 1978. -Вып. 12. -С. 35−38.1.l.

19. Влияние добавок гидроокислов кобальта и лития на саморазряд никель-кадмиевых аккумуляторов / О. Г. Маландин, А. В. Васеев, // Исследование в области химических источников тока. -Саратов, 1980. -№ 7. -С. 111−117.

20. Шибаева Н. Ю., Новаковский А. Н., Яшков М. П. О влиянии железа на поведение окисноникелевого электрода / Химические источники тока (Сб. научных трудов ВНИАИ) -JL: Энергоатомиздат, 1983. -С. 31−36.

21. Кущенко С. Н. Исследование и повышение надежности тяговых аккумуляторных батарей рудничных электровозов: Автореферат дис. канд. техн. наук: 05.09.03. -Защищена 09.10.80. -Днепропетровск, 1980. -21 с.

22. Фурсов В. Д., Кущенко С. Н. планирование эксперимента при исследовании надежности тяговых аккумуляторов рудничных электровозов. Днепропетровск, 1986. -20 с. -Рукопись представлена Днепропетровским горным, ин-том. Деп. в ЦНИИЭИуголь 07.02.80. № 1651−80.

23. Балей В. Ф. Исследование импульсного режима работы тяговой батареи в составе электропривода транспортных средств: Автореферат дис. канд. техн. наук. 05.09.03. -Защищена 15.10.81. -М.: 1981. -23 с.

24. Вайлов A.M., Эйгель Ф. И. Определение параметров схемы замещения аккумуляторной батареи // Электротехническая пром-сть. Сер. Хим. и физ. источники тока. -1984. -Вып. 3(96). -С. 12−14.

25. ГОСТ 26 500–85. Аккумуляторы щелочные никель-железные тяговые. Общие технические условия.

26. ГОСТ 26 692–85. Аккумуляторы и батареи. Аккумуляторы щелочные никель-кадмиевые негерметичные емкостью свыше 150 Ач. Общие технические условия.

27. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулиро112ваши. 3-е изд., испр. -М: Наука, 1975. -768 с.

28. Гкгент США М" 4 234 839, МКИ НШ 7/04, Н)1М 10/46, плюя 1980.

29. А. с. № 1 631 628 МКИ Ш1М 45/04 Способ заряда аккумуляторной батареи.

30. Патент № 2 326 053 МКИ НОШ 45/04 Способ заряда аккумуляторной батареи.

31. Патент .N"4 554 500 МКИ Н021 7/04, публ. 1985.

32. А. с. № 4 234 838 МКИ Н01М 45/04 Способ заряда аккумуляторной батареи.

33. А.с.№ 1 190 429 МКИ НОШ 45/04 Способ заряда аккумуляторной батареи.

34. А.с.№ 1 067 554 МКИ Н01М 45/04 Способ заряда никель-водородной аккумуляторной батареи.

35. СССР № 4 311 589, МКИ. НОШ 45/04, НО 1 т 43/04, заявл 1972.

36. Патент № 873 832 МКИ Н01М 45/04 Способ заряда аккумуляторной батареи.

37. Исследование надежности тяговых аккумуляторных батарей с келью повышения эффективности их эксплуатации в условиях шахт Донбасса: Отчет о НИР / Днепропетровский горный институт- №ГР 1 827 042 902. -Днепропетровск, 1984 г. -97с.

38. Шигаишо В. П Автоматизированный вентршьный электропривод. -М.: Энергия, 1969. -400 с.

39. Воронов А. А., Титов В. К, Новогранов Б. Н Основы теории автоматического регулирования и управления. Учеб. пособие для вузов. -М.: Высш. школа. 1977. -519 с.

40. Системное проектирование средств автоматизации С. В. Емельянов, НЕ. Костьгаева, Б. ПМатич, ННМиловидов. -М.: Машиностроение, 1978. -190 с. 113.

41. Башарин А. В., Новиков В. А., Соколовский Г. Г. Управление электроприводами: Учеб. пособие для вузов. -Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. -392 с.

42. Пугачев B.C. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления. -М: Физматшз, 1962. -883 с.

43. Пушкин Я. З. Релейные автоматические системы. -М.: Наука, 1974. -576 с.

44. Цьткин Я. З. Основы теории автоматических систем. -М.: Наука. Глав. ред. физ.-мат. лит-ры, 1977. -560 с.

45. ГКтачев Е. В. Математическое моделирование процесса заряда шахтных тяговых аккумуляторных батарей // Расчет, конструирование и исследование оборудования производства источников тока: Тез. докл. отрасл. науч. конф. -М., 1970. -С. 113−114.

46. Пугачев Е. В. Математическое описание процесса заряда шахтных тяговых аккумуляторньЕс батарей при стабилизации зарядного на-гфяжения // Сб. работ по хим. источникам тока / Всесоюз. науч.- исслед. аккумуляторный ин-т. -Л., 1973. -Вып. 8. -С. 120−127.

47. Испытания тяговых аккумуляторных батарей из аккумуляторов типа ТНЖК-650 / Е. В. Пугачев, Л. В. Козелков, Б. И Ужинов, Б. И Прохоров.

48. У Электротехническая пром-сть. Сер. Хим. и физ. источники тока, -1978. -Вып. 4 (61). -С. 15−17.114.

49. Пугачев Е. В. Пути повышения эффективности процесса экс-хшуатаиди тяговых аккумуляторньк. батарей /7 Рельсовый транспорт. -Киев, 1978. -С. 66−67.

50. Петунов В. Д., Пугачев Е. В., Выборов Л. А. Сравнительные сроки службы шахтных тяговых аккумуляторных батарей при различных режимах заряда /7 Горные машины и автоматика. 1968. -.N2 11−12. -С. 100 102.

51. Петунов В. Д., Пугачев КВ., Выборов Л. А. Исследование способа группового заряда шахтных тяговых аккумуляторных батарей 96 ТБЖ-350 от зарядного устройства ЗУК-155/230 // Горные машины и автоматика. -1968. -М>8. -С. 29−31.

52. Щеточные тяговые батареи для рудничных электровозов. Техническое описание и инструткция по эксплуатации. ИК11Ж. 563 337. 004Т0.116.

53. С. А. Мельчуков, А. С. Тимофеев, Система автоматического контроля температуры электролита тяговых аккумуляторных батарей. Межвузовский научно-технический сборник «Техника и технология разработки месторождений полезных ископаемых» 1995, Новокузнецк.117.

54. Е. В. Пугачев, В. И. Вавиловский, С. А. Мельчуков, В. А. Новоселов, Б. Д. Сямин, А. С. Тимофеев Разработка способов и технических средств повышения эффективности: эксплуатации аккумуляторных источников питания шахтного назначения.

55. Носач В. В. Решение задач аппроксимации с помощью персональных компьютеров. М: МИКАД 1994. -382с: ил. 78.1.S.

56. А. АНГО Математика для электрои радиоинженеров.1. М. «Наука», 1965.

57. Гмурман В. Е. Руководство к решению задач по теории вероятностей и математической статистике. Учеб. пособие для втузов. Изд 2-е, доп, М." Высшая школа", 1975, ил.

58. Дамаскин Б. Б., Петрин O.A.

Введение

в электрохимическую кинетику. Учеб. пособие для вузов. Под ред. А. Н Фрумкина, М., «Высш. Икола», 1975.-416с с ил.

59. Левин А. И Теоритические основы электрохимии.-М.: Метал-лургая, 1972.-543с.88 'Гаганова A.A. Диагностика герметичных никель-кадмиевых аюоъхуляторов универсальный алгоритм их отбора в батареи: Дис. .канд. техн. наук.- Ленинград, 1990.

60. Громова О. В. Повышение эксплутационной надежности тяговых аккумуляторных батарей рудничных электровозов. Дис.канд. техн. наук. -Новокузнецк, 1988.

61. Пугачев Е. В. Методы и технические средства повышения эффективности эксплуатации аккумуляторных источников питания в системах шахтного электрооборудования. Дис. докт. техн. наук. -Новокузнецк, 1988.

62. Справочник по электрохимии / Под ред. A.M. Сухотина. -Л.: Химия, 1981.-488с., ил.

63. Ардабацкая М. В., Теньковцев В. В. Изучение процесса тепловыделения при работе аккумуляторов типа НКГЬССб. работ по химическим источникам тока, 1974, вып. 10 Л., Энергия, с. 190−198.

64. Петрова М. В., Теньковцев В. В., Дасоян М. А. Тегоювыделение в процессе заряда и разряда, герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов. Сб. работ по химическим источникам тока, 1973, вып.8 -Л., Энергия, 96−100.119.

65. Доманов В. В. Изучение процесса формирования никель-кадмиевых аккумуляторов статистическим методов /У >^шчеекие ис~ точники тока: Сб. научн. трудов. / ВНИАИЛ. -1983. -С. 94−96.

66. Марченко Г. П Разработка и оптимизация режимов ускоренного заряда щелочных аккумуляторов: Автореферат дис.канд. тех. наук: 02.00.83. -Защита 21.10.83. -Днепропетровск, 1983. -16 с. -ДСП.

67. Новый режим заряда аккумуляторных батарей из герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов / Е. В. Пугачев, Б. Я. Розеншток, Л. В. Козелков, В. В. Теиьковцев .// xmvg-меские источники тока: Сб. науч. тр. / ВНИАИЛ., 1983. -С. 58−64.

68. Пугачев Е. В. Исследование режимов работы группового автоматизированного устройства в условиях шахты / Вопросы совершенствования технологии выемки, механизации и энергоснабжения предприятий Кузбасса. -Прокопьевск, 1971. -С. 229−239.

69. Crt, Dos, Printer, Floatin, Alarm, SAKh15, Approx2, Graph, GServis $DEFINE debug}ype AppDop = object (Approximate)function GetSumQuadr (Koef: tKoef): Floatvirtualendonst.

70. TimeOnePrognoz = 3- {время первого прогноза } ar1. App: AppDop-iz, { ток i-ой ступени }ts :array O.15.of Float- { время начала i-ой ступени } x: tKoef- { коэффициенты модели }tt, gg: tData-i, NProg, Ntek, Nrec, Nkon,.

71. Jriteln ('Время прогноза: ', TimeOnePrognoz, ' ч.');

72. Jrite ('Введите время между замерами температуры в сек.: ')-eadln (NumSecDelay);

73. SIFDEF debug}.

74. Writeln (OutFile) — Close (OutFile)-end;

75. Write ('Введите тип батареи (ТНЖ 1, ТНКШ — 2) =>') — Readln (i) — case i of1: begin Qzad:=540- Imax:=150- Imin:=70 end- 2: begin Qzad:=500- Imax:=120- Imin:=50 endelse begin Writeln ('ВВод неправильный! Перезапустите программу ')-halt end;

76. Write ('Введите начальный ток заряда: ') — Readln (izl.) — ts1.:=(Qzad / iz[l]) — Ns:=l;

77. Writeln ('заданная емкость ', Qzad:5:0) — Writeln ('максимальный ток ', Imax WritelnWriteln ('Для начала работы нажмите любую клавишу ') — Readkey;

78. NPoint:=0- Ntek:=lNrec:=lfgPrognozl:=false-$IFDEF debug}assign (FinData, 'c:bppast40');

79. App. SetKoef (Koef) — App.ApproxApp.GetKoef (Koef) — writeln ('11);

80. Qost:=Qzad-GetQReal (TimeNtek.) -}writeln (1 осталось зарядить ', Qost:3:0, ' Ач') — Getlz (45) — Getlz (50);

81. Write ('Введите выбранный ток заряда: ');

82. Readln (iz2.) — ts1.:=Time[Ntek]- ts[2]: =Qost/iz[2]- Ns {$IFDEF debug}fgDebug:=false- {$ENDIF} end-if keypressed then begin.

83. H:=TransDECtoBCD (Hour) — M:=TransDECtoBCD (Min) — S:=TransDEC asmmov AH, 07 int lAh mov AH, 06 mov CH, H mov CL, M mov DH, S int lAh endend-procedure IncAlarmTimer (NumSec: longint)-var A: longint-begin.

84. Уи=Г (Хи, Х) методом Дэвидсона-Флетчера-Пауэла (переменной метрики) одномерная минимизация по направлению осуществляется методом квадратичной интерполяцииnterfасеises Crt, Floatin-уре tKoef=array 1.3. of Float;

85. NumSecDelay slongint- { задержка между измерениями }.

86. NumSecDelayVirtual? longint- { задержка между измерениями для отладки FinData: text- { файл с данными для отладки }.

87. Gdat: array 0.7. of Float-function GetData: Float- { считывание данных из АЦП } procedure Handler4Аinterrupt-function SetData: Float- { передача данных в ЦАП }implementation {$ 1 SAKH15. inc} beginfgDebug:=falseend.33.

88. УТВЕРЖДАЮ Генеральный директор ' АО^ЧС^узнецкугодь' ^ ЛаврикВ.Г.и1. АКТпередачи^{Системы} адаптивного управления процессом заряда тяговыхаккумуляторных батарей" для внедрения в производство в АО УК1. Кузнецкуголь" 1. Комиссия в составе:1. Председатель:

89. Ямалутдинов Р. Г. зам. гл. механика АО УК «Кузнецкуголь» 1. Члшьт комиссии:

90. Стебунов С В. генеральный директор АО СШМЫУ АО УК Сузнецкуголь" ;

91. Сорокин A.A. начальник участка;

92. Золотенен С. А. начальник цеха ремонта и восстановления эсумуляторов;

93. Козелков Л. В. инженер цеха ремонта и восстановления.

94. САдУ включает в себя: ЭВМ с программным обеспечениемсистему автоматического контроля температуры электролита аккумуляторов, выполненную в виде отдельного блоказарядное устройство.

95. Система адаптивного управления процессом заряда испытана в производственных условиях. Результаты испытаний полностью подтверждают ее работоспособность и пригодность к использованию при эксплуатации батарей шахтного и общепромышленного назначения.