Оптимизация работы электропривода транспортных средств при питании от свинцово-кислотных аккумуляторных батарей

В настоящее время частотно-управляемые электроприводы на основе асинхронных двигателей (АД) с короткозамкнутым ротором широко применяются в различных областях промышленности и техники, благодаря своим преимуществам в частности: в различных грузоподъёмных механизмах /6,9/, транспортных машинах /6/, оборонной технике и астрономии /3/, на предприятиях черной и цветной металлургии в системах автоматического регулирования технологическими механизмами /38/, в авиации /3/, а также в целлюлозно-бумажной и текстильной промышленности /44/, и в других областях.

В настоящее время одной из важных областей применения частотно-управляемых асинхронных двигателей является транспорт. Они используются в качестве тяговых приводов, что очень важно для больших городов с плохим географическим расположением и для закрытых помещений. Это диктуется не только требованием борьбы с загрязнением окружающей среды, но и необходимостью экономии ограниченных ресурсов жидкого топлива.

Применение частотно-управляемых электроприводов (АД) при питании от свинцово-кислотных аккумуляторных батарей (АБ) не ограничивается только электромобилем. Они применяются в различных подъемно-транспортных средствах, в электрических самоходных кранах, а также в технике, предназначенной для исследования подводных пространств.

Среди аккумуляторных батарей, используемых в электромобилях в качестве источника энергии, широкое применение получили свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, щелочные железно-никелевые и ряд других батарей (АБ). Однако, благодаря своим преимуществам, к числу которых относятся сравнительная дешевизна, большой коэффициент полезного действия, большая удельная объемная энергия, малое внутреннее сопротивление /41,42/, предпочтительны свинцовокислотные АБ.

Свинцово-кислотные АБ имеют очень важное значение для современной техники. Они применяются в различных машинах для запуска двигателей внутреннего сгорания, в торпедах, для движения подводных лодок в подводном состоянии, на электрических станциях и на железных дорогах для питания цепей управления и сигнализации, в особых помещениях в качестве аварийного источника питания, в различных автоматических устройствах.

Актуальность работы: 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 России. Ежегодный прирост выбросов вредных веществ от автомобилей, эксплуатируемых в Москве, за последние 5−6 лет составил около 9%/13,14,35/, а их валовой вклад в загрязнение окружающей среды превышает 87%/33,34/. Кроме этого автомобильный транспорт является основным источником шума и создает 80% /37,57,58/всех зон акустического дискомфорта. Правительство Москвы приняло ряд Постановлений, направленных на снижение объема вредных выбросов в атмосферу города.

Электромобили в значительной мере могут решить указанные выше проблемы. Однако на пути их создания встречаются большие технические и экономические трудности. Успех в решении этой задачи зависит от правильного выбора критерия эффективности работы электромобиля и оптимальных режимов. 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 энергетических систем электромобилей. Это стало возможным благодаря улучшению характеристик как емкостных накопителей энергии, так и импульсных аккумуляторных батарей, позволяющих осуществлять быстрый заряд и разряд при высоком к.п.д.

Актуальность применения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором заключается в том, что они находят все более широкое распространение в различных областях промышленности и транспорта. Эффективность производства и производительность труда, наряду с автоматизацией и механизацией, во многом зависят от технико-экономических показателей отдельных машин.

Задачи оптимального управления АД рассмотрены во многих научных трудов. Однако задачи оптимального управления по минимуму тепловых потерь как с учетом, так и без учета электромагнитных явлений исследованы еще в недостаточной степени.

Исследование оптимальных законов управления АД по минимуму тепловых потерь как с учетом, так и без учета электромагнитных явлений и ограничений, а также разработка методики оценки учета электромагнитных явлений и автоматизация этих исследований является актуальной задачей.

Электромагнитные явления оказывают существенное влияние на динамику АД. С другой стороны, учет электромагнитных явлений затрудняет как исследование, так и синтез оптимального управления. Имел возможность оценить эти влияния на динамику АД, в некоторых случаях можно существенно упростить задачу управления двигателем.

Повышение технико-эксплуатационных параметров электромобиля тесно связано с исследованием и применением оптимальных режимов работы в частотно-управляемом асинхронном электроприводе с учетом энергетического состояния АБ. Невозможно решить эти задачи без наличия математической модели процесса разряда свинцово-кислотных АБ в меняющихся режимах.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработан критерий эффективного управления системой частотно-управляемого асинхронного электропривода при питании от свинцово-кислотных АБ, обеспечивающий максимум производительности.

2. Установлено, что в течение оптимального управления АД модуль вектора пото-косцепления ротора, даже без учета электромагнитных явлений, не остается постоянным.

3. Разработана математическая модель процесса разряда свинцово-кислотных АБ в меняющихся режимах разряда во времени и предложен способ определения параметров уравнения разряда свинцово-кислотных АБ.

4. Установлены оптимальные режимы работы частотно-управляемого асинхронного электропривода по минимуму энергетических потерь при питании от свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.

Выносятся на защиту:

1. Методика решения задачи оптимального управления АД по минимуму тепловых потерь как с учетом, так и без учета электромагнитных явлений.

2. Критерий оценки эффективности работы системы АБ-И-АД по максимуму производительности.

3. Решение задачи оптимального частотного управления системой АБ-И-АД по минимуму энергетических потерь.

4. Математическая модель процесса разряда свинцово-кислотных АБ и способ определения параметров уравнения разряда как в меняющемся, так и в постоянном режиме.

Практическая ттешюсть и рекомештадии по применению;

Предложен метод определения параметров предлагаемого уравнения разряда свинцово-кислотных АБ в тех или иных режимах.

Результаты исследований задач оптимального частотного управления АД по минимуму тепловых потерь, а также составленные программы, обеспечивающие автоматизацию исследований, могут быть использованы при синтезе оптимального 8 управления АД. Эти результаты дают возможность оценить максимальные возможности АД, а также определить область изменения частоты и амплитуды напряжения питания, что, как известно, необходимо для проектирования двигателей, работающих в подобных режимах.

Разработан критерий оценки эффективной работы транспортных средств на основе предлагаемого уравнения разряда свинцово-кислотных АБ, и исследованы оптимальные режимы работы АД. Использование результатов исследований позволит значительно повысить эксплуатационные показатели подобных систем.

Реализация результатов работы. Результаты работы использовались при создании образца электромобиля «Газель Основные выводы исследования учитываются при разработке производства грузового развозного электромобиля и пассажирского электробуса.

Публикации. Опубликовано по теме диссертационной работы три статьи. Результаты исследований докладывались на научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ (ТУ).

Структура работы. Диссертационная работа включает в себя введение, четыре раздела, заключение, список литературы и приложения. Общий объем составляет 175 страницы, в том числе 30 рисунков, список литературы из 73 наименований, 25 таблиц, 4 приложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Сравнительный анализ существующих уравнений разряда свинцово-кислотных АБ показал, что вопросы математического моделирования процесса разряда свинцово-кислотных АБ развиваются в двух направлениях — на основе кинетической теории электродных процессов и полуэмпирическим способом. Причем все существующие уравнения разряда, составленные как на основе кинетической теории электродных процессов, так и эмпирическим способом, относятся к постоянным режимом разряда.

При составлении уравнений разряда эмпирическим способом не все основные теоретические и экспериментальные положения были учтены, в результате чего точность у них небольшая.

Моделирование процесса разряда свинцово-кислотных АБ на основе кинетической теории пористых электродов связано с определенными трудностями. Поэтому уравнение разряда необходимо составить полуэмпирическим способом, учитывая физико-химические явления электродных процессов.

2. Полуэмпирическое уравнение разряда свинцово-кислотных АБ, которое получено с учетом физико-химических явлений пористых электродов, описывает процесс разряда не только в постоянных, но и в переходных режимах, при которых влияние переходного составляющего концентрационной поляризации незначительно .

3. Уравнение емкости и разряда свинцово-кислотных АБ для постоянных режимов можно получить на основе предлагаемого уравнения. По сравнению с существующими аналогичными уравнениями эти уравнения обладают более высокой точностью.

На основе предлагаемого уравнения в течение эксплуатации можно оценить как зарядовое, так и энергетическое состояние свинцово-кислотных АБ .

4. При оптимальном частотном управлении АД, по минимуму тепловых потерь, как с учетом, так и без учета электромагнитных явлений, процессы не всегда протекают с максимальным магнитным потоком.

5. При оптимальном частотном управлении пуском АД по минимуму тепловых потерь, влияния электромагнитных явлений могут быть значительными. Они обусловлены как моментом инерции, так и статическим моментом сопротивления системы и конечным значением скорости вращения.

6. Существует обобщенное выражение для тепловых потерь в АД, по которому можно оценить различные составляющие суммарных потерь. Решение задачи оптимального управления АД при использовании обобщенного критерия, с применением компьютера, позволило автоматизировать исследования для различных критериев оптимальности.

7.Для транспортных систем с частотно-управляемым асинхронным электроприводом, питаемых от свинцово-кислотных АБ, в качестве критерия оценки эффективной эксплуатации можно принять минимум изменения переменной составляющей концентрационной поляризации источника. В частности, для установившихся режимов этот критерий эквивалентен минимуму величины тока разряда источников энергии.

8.Для повышения технико-экономических показателей электромобилей необходимо системой управлять как с помощью коэффициента модуляции, так и с помощью абсолютного скольжения в зависимости от угла наклона дороги и скорости движения. При этом независимо от наклона дороги, для больших значений скорости движения необходимо значение коэффициента модуляции принять равным единице и управлять системой по абсолютному скольжению.

При малых значениях угла наклона дороги и небольших значениях скорости движения электромобиля необходимо величину абсолютного скольжения принять равной оптимальному и управлять системой коэффициентом модуляции.

При больших значениях угла наклона дороги и малых значениях скорости движения для обеспечения оптимального режима необходимо управлять системой как с помощью коэффициента модуляции, так и абсолютным скольжением. Причем, коэффициент модуляции необходимо выбирать так, чтобы модуль вектора по-токосцепления ротора АД принимал максимальное значение.