автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Оптимизация управления электромобилями малой грузопдъемности с приводами постоянного тока

¡1 'о Г, У

МОСКОВСКИЙ

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Гурьянов Длитрий Иванович

ОПТИМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯМИ МАЛОЙ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ С ПРИВОДАМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидат технических наук

МОСКВА 1992

Работа выполнена в совместной научно-производственной лаборатории Волжского автозавода и Тольяттинского политехнического института (СНПЛ АвтоВАЗ-ТШ) и на кафедре Электротехники Московского автомеханического института

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Петленко Б.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Иванченко Г.Е. кандидат технических наук Фомин А.П.

Ведущая организация - Московский агрегатный завод "Дзержинец"

Защита состоится " ^СС&Д-' 1992г. в " /У" час/на заседании специализированного совета ВАК РФ К.053.30.03 при Московском ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожном институте по адресу: 125829, Москва, А-319, ГСП-47, Ленинградский просп., 64, ауд..

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Отзывы в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, просим направлять в адрес специализированного совета.

Телефон-для справок: 155-03-28. £

Автореферат разослан апреля 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

доцент .___/■' Г.И. Асмолов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Ошт использования электромобилей в городских перевозках утвердил право этих перспективных транспортных средств на массовое внедрение. Общеизвестно, что для существенного увеличения их пробега необходимы как емкие аккумуляторы, так и эффективные тяговые электропривода. Актуальность вопросов управления энергопреобразованием в тяговой системе электромобиля (ТСЗ) для оптимальной организации движения объясняется их значимостью и при создании, и при эксплуатации электронобиля.

В диссертации приведены результаты научно-исследовательских и хозяйственно-договорных работ, выполненных в совместной научно-производственной лаборатории Вольского автозавода я Тольяттинского политехнического института (СНПЛ АвтоВАЗ-ТШ) на основании директивных документов по развитию электромобиле строения.

Объектен исследований являются городские электромобили малой грузоподъемности 0!.Gff) с приводом постоянного тока, в основно-; семейства ВАЗ, которые характеризуются грузоподъемностью 500 кг :: применением двигателя независимого возбуздения (ДНВ), тяговой аккумуляторной батареи (TAB) с никель-цинковыми элемента:® и бортового вентильного преобразователя (ВВП) на тиристорах.

Цель работы заключается в пошивши технико-эксплуатационшп; показателей ЗЮТ созданием эффективных систем управления при комплексных исследованиях взаимосвязей и процессов в электромобиле.

Задачи исследований, соответствующие поставленной цели и решенные в диссертации:

1. Анализ тенденций развития н путей совершенствования 3!,2.iT и формирование критериев их оно ¡пси.

2. Разработка математических и кгялацЕотшх моделей 3'.?.(Г, их систем (ТСЭ, СТПЗ) п подсистем (ТЗД, БВП, ТАБ).

3. Оптимизация взаимосвязей и процессов з 3'"Т.

4. Экспэрякеиталышз исследования Si".T, ik систем п подсистем и внедрение результатов ксслэдспспяй.

Обцая дрогла песлэдсзо-гл заключается в свстэгзкга сочотшшп двух известных принципов: разделения движений на быстрые и медленные и проектирования ТСЭ от ГЭД к ГАБ, развитого в диссертации го уровня "дорога-колеса-ТЭД-БВП-ТАБ".

!.!етоды исследований. Закономерности энергопреобрззованпя б электромобиле получены методами теории цепей. Вариационные методы использованы при анализе режимов двикэния, методы традиционной оп-

тимизации - при разработке алгоритмов управления, элементы дискретной математики - при решении слабоформализуемых задач: разного характера: аппроксимациотшх, оптктшзационжх, математического к имитационного моделирования, автоматизации экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования ТСЭ проведены на специально разработанном для этой цели автоматизированном стендовом комплексе и в дорозшых условиях созданных образцов электромобилей семейства ВАЗ.

Научная новизне работы:

1. Разработка системного подхода при создании электромобилей, базирующегося на выяв^шы взаимосвязей в них.

2. Формирование новой системы критериев оценки ЭММГ, наиболее полно учитывающей основные свойства электромобилей.

1. Аналитическое описашэ разнородных процессов в электромобиле , впервые полученное для электромобиля по принципу разделения лишений.

. 4. Оптимизация совокупности установленных взаимосвязей в ЭШГ.

5. Распшрзшю мггрично--опологйческого метода для разработки обобщенной модели вентильных пепей г автоматизация ее исследований.

6. Создание имитационной модели электромобиля с разработкой пакета прикладных программ.

7. Аналитическое решение проблемы наиболее нолного использо-вр'зш энергии ТАБ путем минимизации энергозатрат в ЭММГ.

8. Разработка новых алгоритмов управления ЭММГ на базе теоретических исследований по ияшгизащш энергозатрат в электромобиле .

Практическая ценность. Законченность проведенных исследований по знергопресбразованив представлена инженерными методиками выбора ыассогабаритных показателей электромобиля и расчета оптимальных параметров ТСЭ» а разработанные алгоритмы управления ТЭД и ВВП -конкретными техническими устройства!®. Пакеты прикладных программ по автоматизированному анализу электромагнитных процессов в вентильных цепях, имитационному моделированию ТСЭ и автоматизации испытательных операций на стендовом комплексе позволяют оперативно организовать и выполнить требуемые исследования аналогичных тяговых систем. Данные исследования с разработанными автоматизированными системами исследований позволили создать семейство из восьми

моделей электромобилей ВАЗ с повышенными технико-эксплуатационным! показателями.

Реализация работа. Основные теоретические и экспериментальные результата диссертационной работы с общим экономическим эффектом 736 тыс. руб. внедрены на ВАЗе при создании серии электромобилей, на Мощном испытательном стенде ВЭИ и в ПО "Трансформатор" (г. Тольятти) при производстве энергооборудования линий передрч постоянного тока и на предприятии п/я N 5644 (г. Саранск) при разработке электроприводов специального назначения.

Апробация работа. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались

- на Всесоюзных конференциях: "Управление в механических системах" (г.Казань,1985г.), "Системные исследования и автоматизация в метрологическом обеспечении 1ШС и управлении качеством" (г.Львов, 1986г.), "Перспективы и опыт внедрения статистических методов в АСУ Т1Р {г.Тула, 1987г.), мззшузовских - "Теория и методы расчета нелинейных, электрических цепей и систем" (г.Тапкепт: IV - 1971г., У - 1975г.), научно-технических - "Применение преобразовательной техники в электроэнергетике, электроприводах и электротехнологических установках" (г.Тольятти, 1984), "Пути экономии и повышения эффективности использования электроэнергии в системах электроснабжения промышленности и транспорта" (г. Казань, 1984г.), "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (г.Иваново, 1985г., 1990г.);

- на Всесоюзном научно-техническом совещании "Проблемы электромагнитной совместимости силоеых полупроводниковых преобразователей" (г.Таллинн, 1986г.).

Публикации. По диссертационной работе опубликовано 50 печатных работ, в том числе оформлено девять научно-технических отчетов и шесть авторских свидетельств и получено два положительных решения по заявкам на изобретения.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Содержит 122 с. машинописного текста, 51 рис., 13 таб., 27 с. списка литературы из 241 наименования, приложение на 112 е..

С0ДЕР2ШЕ РАБОТЫ

Во введении отражены актуальность выполненных исследований, основные научные результаты, полученные впервые и выносимые на за-

щиту. Схемой функциональных связей охарактеризован системный подход, разработанный при создании ЭШГ Волжского автозавода.

В первой главе дан анализ тенденций развития электромобилей малой грузоподъемности, потребность в разработке которых подтверждается изучением среднесуточных пробегов автомобилей такой не грузоподъемности в Нидерландах, ФРГ, США, в Санкт-Петербурге и Москве.

В технологии электромобиле строения сформировались три направления: переоборудование автомобилей под тяговый электропривод, разработка новых кузовов к шасси серийных автомобилей и создание принципиально новых конструкций электромобилей. Усилен разработчиков электромобиля направлены на сохранение его грузоподъемности йри снижении полной массы. Например, в модели ВАЗ-2702 за счет применения алшиниевых сплавов и пластмассыпри грузоподъемности 500 кг удалось уыеньпжть полную массу до 1660 кг.

Совместная работа силовых агрегатов известных ТСЭ не обеспечивает режимов наивыгоднейшего преобразования энергии ТАЕ.

Аккумуляторы, используемые для электроснабжения электромобилей (преимущественно свинцово-кислотные. никель-железные и никель-цинковые ), характеризуются малой удельной энергоемкостью и изменяющимися в процессе работы внешними характеристиками. Эти недостатки проявляются как в соотношениях масс батареи, экипажа и перевозимого груза, так и в эксплуатационных показателях электромобиля.

Различные условия применения электромобиля и способы управления энергопреобразоЕанием приводят к разнообразию реализаций ТСЭ. В диссератции рассмотрены и систематизированы в виде классификационных схем компоновочные решения кинематической части, силовые цепи и процессы энергспреобразования в ТСЭ.

В настоящей работе рассмотрены н репены вопросы управления энергопреобразованием как в ТСЗ в целом, так и в ее силовых агрегатах, с внедрение;.; алгоритмов оптимизации управления электромобилями Вольского автозавода.

Для оценки свойств электромобилей потребовалось сформировать систему критериев. Наряду с известными введены некоторые ноЕые показатели (фактора), характеризующие функционально-конструктивные свойства .эксплуатационно-энергетические качества электромобиля и эффективность его тяговой системы.

Во второй главе исследованы взаимосвязи в ТСЭ. Учтены требования городского транспортного потока, ограничения по отдаваемым энергоемкости W и мощности Р„ ТАБ, а также изменения ее внешних

характеристик УБ(1Б) в процессе эксплуатации. Многообразие ситуаций, возникающих при движении электромобиля, рассмотрено совокупностью фаз разгона, установившегося движения, замедления (выбега) и тормокения. ВЕедеш основные параметры фаз движения: ускорение у, длительность t, скорость V и пройденный путь Ъ, которые описаны для всех фаз решениями общих уравнений движения в дифференциальной форме, что позволило конкретизировать их до расчетных формул силы тяги Р„ на ведущих колесах, подводимой к ним мощности Р„ и энергии

К 1С

на перемещение электромобиля в зависимости от сил сопротивления (суммарной), Р^ (качения), Ра (уклона дороги), ?ы (аэродинамической) и силы инерции Ру

Методические положения по формированию предельной тяговой характеристики электромобили Рцр(У) увязывают задаваемые эксплуатационные показатели (массу электромобиля т0, минимальную и)Лт и

1 „, I, запас хода Ь) с требуемой мощностью Р„ „_„_ ТАБ

НО?4 111* Щ) О • М8КС

при учете суммарной силы сопротивления движению Р^ и КГЩ т^ энергопреобразования в силовых агрегатах ТСЭ .

Предельная тяговая характеристика имеет вид:

- при известной мощности РБ

макс

батареи

Рпр = РБ.«акАЛ:

- при заданных основных эксплуатационных показателях ЭММГ

% = тэ *(/ + к^макс)имакс/и' где / - усредненный коэффициент сопротивления качению; к^ = 0,5» « crpS/CmggJ; сх - коэффициент аэродинамического сопротивления; р

- плотность воздуха; S - площадь миделева сечения электромобиля.

Суммарная сила сопрогивле- F

_ г, hr»Птг

ния Рг, рассчитанная для уклонов г

дороги £ ,, £_, í_, 1=0, вмес-г ном пг пр

те с кривой Рлр(У) графически отображают тяговый баланс ЭММГ в отдельных точках (рис.1).

Предельная тяговая характеристика Рцр(У) представляется ^ тремя характерными участками. Линия АВ ограничивает тяговое

усилие на уровне Р „ . Точка В макс

Fnr ir.z^.-—

'ном

Е ¡Г Vmakc

определяет диапазон изменения скорости от нуля до граничной

Рис.1 Характеристики тягового баланса электромобиля

мак стильную у,,я„„ скорости, характерные преодолеваемые подъемы

скорости V , обеспечиваемой отбираемой от ТАБ мощностью. Линия БЕ ограничивает максимальную величину скорости имакс движения элект-ромоОи."".. Точка В определяет граничное тяговое усшые ?гр. Точка С используется для опреде- ления режима энергопреобразования, при котором выявляются перегрузочные (по температуре) свойства силовчх агрегатов. Ее полоьзше задается выбором номинальной скорости ино-г вторая координата точки С характеризует силу затрачиваемую на преодоление сумкерной силы сопротивления Р^ движению электромобиля пс подъему I .

Точка N на прямой и = V о прадеде г ношнэ яьную силу тяги

ЫОм

У ,. 1гклон, для которого характеристика суммарной силы сопротивления двжсонию проходит через данную точку, принимается за но-миналышй (I ). Положение точки с! как точки номинального тягово-

К01Л

го рэггаа выбирается из соображений: придания электромобилю требуемых да: лмических. свойств. По гра«1аку тягового баланса устанавливаются требуемые кратности максимальной скорости движения электромобиля К = 1> и максимальной силы тяти К_ = Этот о ыакс гр г макс ном

график используется для получения предельной механической характеристики '¿¿Д и характеристик Ис(ш,1) его нагрузки.

Для реализации допустимых тягово-скоростных режимов электромобиля потребовалось установить связи между его эксплуатационными показателями и величинами, описывающими свойства ТАБ. Средняя скорость V циклического дв:псения и пробег Ъ оказались основой иско-ьок аналитических выражений, в которых используются величины, характеризующие ТАБ (энергоемкости 41, 1У0 и емкости Ц, £20 начальные и отдаваемые в нагрузку, КПД т^ разряда, средняя величина разрядного напри^эния и£, максимально допустимый ток разряда 1Б макс, начальное значение удельной энергоемкости е0, параметры, аппроксимации разрядных характеристик а, р ). Полученные выражения позволили оптимально исследовать ыассогабаритные показатели электромобиля, дать рекомендации по выбору массы батареи и выразить уравнение предельной тяговой характеристики через величины ТАБ:

% = Т^Б.макс*1 +

где о=0,3...0,7; тр - грузоподъемность электромобиля.

Использование этого выражения позволяет описать предельную механическую характеристику ¿'^(и) ТЭД зависимостью

йпр = -ЩгЧ.игк^1 + Р)иг-Пи,-

Совместный анализ законов электромеханического преобразования энергии в ДНВ и установленных аналитических связей между эксплуатационными показателями электромобиля и параметрами ТАБ привел к новым расчетным формулам для определения передаточного числа трансмиссии и , предельных значений величин, характеризующих работу

ТЭД (магнитного потока Фмакс и Ф^, тока Гмакс. скорости шмакс, Номинальные

момента

Ч ). макс'

значения этих величин I,

ном' ном*

Ф„

ш.

, и определяются по соотношениям, полученным из условий

КОМ ном

максимальных пробега и производительности этектромобиля.

В третьей главе сформулирована постановка общей задачи минимизации энергозатрат электромобиля с разделением на уровни конструктивной оптимизации, оптимального управления движением и оптимизации управления ТЭД и ВВП.

Для фазы разгона получено общее описание уравнениями в системе "дорога-колеса-ТЭД-БВП-ТАБ" разнородных процессов, а именно: тяговой дт,"е,^ики электромобиля, электромеханических процессов в ТЭД, электромагнитных - в БВП и элекгрохишческих - в ТАБ. Решения их при заданных времени разгона tp^/l конечной скорости окон дают законы управления электромобилем по минимуму энергозатрат.

На рис. 2 ломаная линия ОАВСШ представляет собой траекторию оптимального разгона электромобиля по минимуму энергозатрат. Точка В расположена на граничной механической характеристике Пгр(И), соответствующей максимальным значениям напряжения якоря и магнитного потока. Момент двигателя возрастает при разгоне,происходит по кривой АВ до скорости юд за время . После точки В разгон продолвается

Ммак

Рис.2. Характеристика разгона ТЭД

по участку ВС до скорости шкон за время t г = ^ - при постоянной мощности путем регулирования магнитного потока ТЭД. В точке С система управления резко сникает момент ТЭД до величины момента сопротивления. При наступившем равенстве моментов и = IIс ТЭД равномерно вращается с заданной скоростью (¿кон (точка Б).

На графике воспроизведена также предельная тяговая характеристика ^(ш). выражающая возможности наиболее быстрого разгона

ТЭД, но уже при повышенных затратах энергии.

Для ЭММГ с разным массами и одним и тем ice коэффициентом аэродинамического сопротивления сх = 0,45 были выполнены расчеты энергозатрат WK при постоянном и оптимальном ускорениях (табл.1).

Таблица I

Вариант Масса ЗШГ Затраты энергаи 17., кДх,

V кг при ускорении

постоянном оптимальном

I 2000 299 169

П 1600 250 145

Ш 1200 184 114

Сравнение приведенных данных показывает прэигг:тцества разгона' электромобиля с оптимальным ускорением перед равноускоренным.

Вариационным методом решена и задача возвращения максимально возмоиного количества га силой кинетической энергии в 'ГАБ при рекуперативном тормоквнии (рис.3). Тормокение начинается со сгорости шнач шд Действием тормозного момента 1т и момента У при переклн-

находящейся на

чении двигателя из точки В в точку Р. До точки в механической характеристике П^). выполняется условие

кФиаксш - ПВ > Изар к ^сходит заряд ГАБ допустим током 1зар = сспа! при рекуперации кинетической энергии за счет увеличения магнитного потока. В диапазоне . скоростей О < и < шгр мокко рекуперировать в батарею остаток кинетической энергии, используя шпульсно-дшамический принцип тормокения.

Силовую цепь ТСЗ -ТАБ можно построить так, что диапазон ш-

пульсно-динамического торможения мохет быть сведен к минимуму, т.е. батарея на всем интервале тормоненкя будет зарякаться постоянным током, что обеспечивается устройством, предложенным для рекуперативного тормокения транспортного средства [10].

Мт.МАКС Йт

Рис.3. Характеристика торгсоЕения ТЗД

На графике приведены такке предельная характеристика 1Í,

т.пр

(и)

и характеристика момента сопротивления ТЭД.

. В связи с тем, что известные алгоритмы управления движением электромобиля характеризуются, в основном, жесткими структурными и схемными решениями, реализация оптимальных по энергозатратам динамических режимов затруднена. В диссертации исследован работоспособный гибкий алгоритм управления электромобилем по минимуму энергозатрат с соответствующим устройством, содержащим микропроцессор.

В четвертой главе общая задача минимизации энергозатрат электромобиля решена в части управления энергопреобразованием в ТСЭ.

Рациональные алгоритмы управления энергопреобразованием в силовых агрегатах ТСЭ для реализации заданной тяговой характеристики электромобиля заключаются в изменениях напряжения и якорной цепи ДНВ и его магнитного потока Ф при широтно-частотном регулировании (ШЧР), или в изменениях тока Г якоря и тока Гв возбуждения в релейном электроприводе. При таком взаимосвязанном управлении энергопреобразованием в силовых агрегатах можно реализовать двухзонный и смешанный способы регулирования.

Сравнительный анализ способов регулирования в зависимости от скорости ш выражен графиком изменения управляющих воздействий 13 и и и суммарных потерь мощности АР ГЭД (рис.4). Индекс "опт" относится к смешанному способу регулирования. Снижение потерь при этом способе обеспечивается уменьшением тока его якорной цепи, что благоприятно отражается на работе ТАБ.

Исследования аналитических выражений для минимума потерь мощности в ТЭД по управляющим воздействиям дают описание регуляторов энергопреобразования в ТЭД. Результаты исследований для двух вариантов широтно-частотного регулирования (ШЧР)

^шш«7'®) и ^ИИ^^в' и *** релейного регулятора (РР)

ЛРШШ(Г,1В) при учете потерь в

стали и без него представлены в

табл.2. С инженерной точки зре-

Рис.4. Сравнительный анализ двухзонного и смешанного способов регулирования

нии свойства регуляторов в обоих случаях можно считать различающимися несущественно.

Табпица 2

Зохбн ре /ул провопил Оттапмые значения регулируо-цих воздействий

лри учете потррь в стали без учета потер» » стали

1

ф =-д/рл! К «Т V к V Рв+К^пЯ и +ыкф опт ^г опт ОПТ ФопГ V ^ ^опт

_ РЖ .. ,, !У?В М . р1та ,, и°<" рии 1 Кв

ДйиМ) 1 ,'й 1 ¿апГ Л} к^+К^р^У ^ 1 М т1 \/ р1„(!т V р!-п , „ / М 1 , _ -Ч / ^«»т ' ^ Л/ Р1те0„ V

Значение минимуме потерь '*"' риГ Г«! " "к" р!-т К

Для установившихся режимов попучено условие абсолютного минимума потерь мощности в двигателе:

+ 2Е1 - 17Г - 4'ш = О.

& к>

Точность минимизации потерь при новом алгоритме управления энергопреобразованием достигается с помощью устройства по [83. При этом предложено устройство, использующее дискретный способ измерения мощности на валу ТЭД [71.

Дополнение рассмотренного закона управления условием ив1в + Ж - Низ = О

а а

решает задачу минимизации потерь в неустановившихся режимах не только в ТЭД, но и в питающих его цепях. Для реализации полученного алгоритма в [8] введены некоторые новые элементы.

Минимизацию потерь в питающих цепях ТЭД могло также осуществить, изменяя их структуру как при разгоне двигателя, так и при регулировании его углочой скорости. Для этого разработаны три технических решения, два из которых позволяют осуществлять как сту-

пенчатое, так и непрерывное v. мененк>: напряжения якоря, что лрило • дат к уменьшению коммутационных и пульсаггионных потерь в силовых агрегатах ТСЭ (ТАБ, БВП, ТЗД) [9,14]. Суть третьего предложения заключается в том, что эти потери вообще исключаются, так как при ступенчатом изменении напряжения якоря одновременно птюисходит импульсное регулирование величины магнитного потока в соответствии с погрузкой на валу двигвтеля [II!.

В пятой главе общая задача минимизации энергозатрат электромобиля решена на уровне оптимизации управления БВП.

Показан матрично-топологический подход в теоретических исследованиях вентильных цепей, введены ноЕые определения и сформулированы теоремы, использованы минимальные логические функции для характеристики состояний Еектилей. Дана обобщенная модель произвольной вентильной цепи в форме

и

с

.V

с1

1с

II

Г и 1

с

X --- +

А

8

В

сб.

1е

" Е ■

г ---

Е

Г I 1

в

и

г

£С

-С

-С

-С

г г

Г и 1 с гч

£ те

х[Е]

= ^ А Л иу

V I

лк*иу

л 3<-, Л иу 7 V

= иж л V.

V I

лк

Построение автоматизированной системы анализа электромагнитных процессов в цепях с полупроводниковыми приборами заключается в разработке алгоритма автоматического формгрсЕания системы упаЕне-ний цепи по ее формализованному описанию, алгоритма контроля состояния полупроводниковых приборов и идентификации структуры цегш, алгоритма автоматического синтеза расчетных схем замещения после коммутации любого вентиля, алгоритма воспроизведения работы реальной системы управления, алгоритма расчета токов и напряжений в цепи. Математическим ашаратам является теория графов, дополненная определениями и теоремами, которые позволяют получать результаты с эвристических позиций взамен полного перебора возможных состояний вентильных цепей, что ускоряет процессы машинного анализа. Например, для графа, описывающего преобразователь с ойцим числом параметров 37, предложенный алгоритм требует в 5,5 раза меньие еычис-

лительных операций, чем прямой.

При выборе силовой схемы электромобилей семейства ВАЗ были исследованы характерные цепи и использованы экспертные оценки показателей работы ВВП. Для выбранной схемы ВВП разработаны способы энергетической оптимизации, при которых потери в преобразователе оказываются минимальными благодаря поддержанию оптимального количества энергии в коммутирущем контуре ограничением ее притока и отводом избытка [12].

Задержка включения основных тиристоров по отношению к включению зарядных тиристоров, обусло-

cms

150 200 250 1,А

Рис.5. Оптимальные зависимости времени задержки

еоо

600

4С0

¿00

дДР.Вт

вленная перезарядом коммутирующего конденсатора без притока энергии в контур, существенно уменьшает коммутационные потери энергии не только в ТАБ, но и в ВВП. На рис.5 даны зависимости оптимальной задержки а3 от величины коммутируемого тока Г нагрузки при различных добротнос-тях <2 контура коммутации.

Результаты экспериментальных исследований энергетической эффективности разработанных способов структурной оптимизации импульсных ВВП с контролированием энергии в контуре коммутации (с дискретным законом регулирования - 2, с регулированием времени задержки -4, с комбинированным способом регулирования -5) приведены в сравнении с известными (с ограничением энергии контура коммутации путем дроссельного сброса - 3 и без регулирования - 1),что иллюстрируется кривыми зависимостей потерь мощности АР от скважности J (рис.6).

Внедрение новых алгоритмов управления с минимизацией коммутационных потерь в ВВП увеличило пробег электромобилей семейства ВАЗ

01 0.2. ОЛ 05 0.6 0.7 0.8 Рис.6. Экспериментальные зависимости потерь мощности БВП

на 22,6%.

В прилозении показано, каким образом проведена практическая проверка теоретических исследований процессов энергопресбразования и управления юли в ТСЭ Э!ЖГ.

Разработка электромобилей семейства ВАЗ выполнена с автоматизацией конструкторских, исследовательских и экспериментальных работ. При внедрении АСУ стендовых исследований со специализированным экспериментальным комплексом ПЗ] трудозатраты на снятие основных статических характеристик тягового электропривода уменьшились с 1780 до 17,5 чел/ч. Эффективность методов имитационного моделирования ТАБ, ВВП, ТЭД по программе ЭЫИМ и испытаний ТСЭ на автоматизированном комплексе позволила форсировать выпуск опытных образцов электромобилей и осуществить их ходовые испытания.

В процессе дороншх испытаний были определены основные технико-эксплуатационные показатели и принято решение о выпуске мелких партий электромобилей, которые в количестве около 150 единиц были направлены для опытно-промышленной эксплуатации в города Москву, Симферополь и Тольятти.

Оценка эффективности электромобилей как транспортных средств дана в предлог.экой системе критериев. Они расчитаяы и систематизированы по ЭКМГ Италии, США, Японии и семейства ВАЗ. В качестве примеров приведены функциональные связи факторов электромобилей SAfC3; (рис.7), w^gfflgг; (рис.8) и ПгсэГбщ.; (рис.9), где <ЭД =

\ ЯПОНИЯ \

05 " ~ 1.0 1.1 ~ i.t

Рис.? . Зависимости фактора эффективности конструкции

№

№

1500

шю

— i — 700

300

Вт Ч

SAC I ткм

-----

у*>— ^.■-"СИА

■-.Jf^j'._________

\ _----ЯПОНИЯ

Дпок.

Ssr

„ i-0 1.2 1А 1.6 1.8 Рис. 8. Удельно-производительный расход энергии

(т^ + m^j/m^ - фактор эффективности конструкции; 8Э = тпол/и(^ -фактор соответствия транспортного средства выбранному классу; ^ЗАВ

= и>,

■SAj/mГ

приведенный удельно-производительный расход энергии в

городском ре жим ь движения; т]т

£тСЭ 0.6

= (W

0.5

0А

03

-----J_.._.

■ \ I /

X пок

ИТАЛИЯ

/сша

0.2 1.0 1.2 1а 1£ 1.0

Рис.9. Зависимости фактора эффективности ТСЭ

40

áws¿e)/w40

фактор эф-

L,

НСА

ПОСТОЯННАЯ СКОРОСТЬ , '

---1----1----

У

4Ф------1------^

лсжл

/

_________F -Í -.-..

Z-T^-rs' ^„..llУ^Г!'."

С Г. А У ^rj ■ж-Г-«

--У,

С К, Л

í^' '.городской рзж'ин авм&еияз

S0 100 150 260 &,вт */«"

Рис. 10. Ожидаемый запас хода электромобилей с перспективными Т.'Б 90-х годов

фективности тяговой системы, где использованы следугщие обозначения и формулы: Ир - масса перевозимого груза, т^ - масса ТДБ, -масса экипажа, и^ - полная масса электромобиля, т0 - средняя величина полной массы для рассматриваемых транспортных средств;

wsae = «"w

где и ю40

Ш40 = Ш/140:

Лш,

зли

Ȓlus -

приЕоденные удельные расходы энергии в городском режиме при скорости 40 км/ч; 1>ВЛЕ и Х40 - соответствующие запасы хода; ы - полный расход энергии ТАБ.

Приведенные графики характеризуют высокий технический уровень изделий Волжского автозавода.

Прогресс в развитии электромобилей существенно зависит от технического уровня ТАБ. Сведения о проведенных исследованиях и прогноз в этой области представлены диаграммой в осях "удельная энергоемкость е аккумулятора - запас хода Ъ миниэлектрофургона второго поколения" (рис. Ю).

Основные результаты н вывода диссертации: I. Установлено на основании проведенного аналитического обзора и доказано опытом производства ЭШГ ВАЗ, что по сравнению с технологиями частичного и полного конвертирования серийных автомобилей в электромобили наиболее перспективной в электромобилестрое-нии является технология производства конструкций, обеспечивающих электромобилю наилучшие качества.Изучение процессов энергопреобра-

зования в силовых агрегатах ТСЭ по .постигаемым технике эксплуатационным показателем ЭММГ свидетельствует в пользу применения комбинированного способа перед дискретным к квазинепрерывным.

2. Определены и использованы пути совершенствования функционально-конструктивных свойств (ФКС) и технико-эксплуатационных показателей (ТЭП) при сопоставлении 31,№ США, Япония, Италии и ВАЗа по разработанной системе критериев их оценки, которая устанавливает взаимосвязи мэвду ФКС и ТЭП электромобиля, повышающие его потребительские качества.

3. Развит известный принцип проектирования тяговых систем электромобилей "от двигателя к батарее" до уровня "дорога-колеса-двигатель-преобразователь-о'атарея", что позволило разработать и применить при создании 3?,"-1Г семейства ВАЗ методику построения предельных тяговых характеристик электромобилей, отличающуюся от известных строгой детерминированность!) и конкретностью.

4. Выявлена на основе полученного по принципу разделения движений аналитического описания разнородных процессов в электромобиле неизвестная ранее совокупность оптимальных взаимосвязей, которая обеспечивает его максимачьный пробег и наибольшую производительность .

5. Предложен гибкий алгоритм управления движением ЭШГ, оптимизирующий силы тяги и торможения электромобиля по минимуму энергозатрат, благодаря постановке и решению вариационных задач, отличающихся от известных заданием праметров фаз и характеристик сило-выя агрегатов ТСЭ.

6. Выведена оптимальные законы энергопреобразования в силовых агрегатах тяговой системы и предложены для современных методов импульсного регулирования новые алгоритмы управления ТЭД: ВВП и ТСЭ по минимуму потерь, защищенные семью авторскими свидетельствами на изобретения и положительным решением по заявк^

7. Расширен определениями и теоремами матрично-топологический метод и выведены минимальные логические функции для характеристики состояний вентилей, на базе которых разработаны обобщенная модель вентильных цепей и автоматизированная система ее анализа.

5. Разработаны и экспериментально уточнены математические модели систем (ТСЭ и СТПЭ) и подсистем (ГЭД, ЕВП и ТАБ) электромобиля, на базе чего созданы программные модули имитационной модели, которая использовалась для исследования и совершенствования разрабатываемых ЗММГ семейства ВАЗ.

9. Подтверждена адекватность разработанных моделей электромобиля, его систем (ТСЭ и СТПЭ) и подсистем (ТЭД, ВВП и ТАБ) и доказана достоверност1 тол/ч^нных теоретических результатов по оптимизации взаимосвязей и управлению ЭШГ разносторонними экспериментальными работами, как-то: автоматизированными исследованиями ТСЭ и его силовых агрегатов (ТЭД, ВВП и ТАБ) на оригинальном стендовом комплексе, натурными испытаниями созданных образцов электромобилей семейства ВАЗ в дорожных условиях (на полигоне НАШ и испытательном треке ВАЗа) и опытно-промышленной эксплуатацией в Тольятти, Москве, Запорожье и Симферополе.

10. Внедрены, с общим экономическим эффектом 736 тыс. рублей, результаты выполненных исследований на Волжском автозаводе при создании семейства электромобилейи и на предприятии п/я 5644 (г. Саранск) при разработке электроприводов специального назначения.

Основные положения диссертации опубликованы в 50 работах, в том числе:

1 .Баландин Н.Ы., Гурьянов Д.И., Кирпичников В.М.

. Методы математического моделирования систем с управляемыми вентилями // Динамика систем управления. - "Штиинца". Кишинев : 1975. - С.39-59.

2.Гончаренко Р.Б., Гурьянов Д.И., Яшкин А.И. Метода преобразования дифференциальных уравнений вентильных преобразователей к виду, удобному для их численного интегрирования на ЭВМ// Сб. научн. тр. - Куйбышев: КУАИ.1976. - С. 133-136.

3.Гурьянов Д.И. Применение переменных состояний к анализу процессов в вентильных цепях// Там же. - С.114-119.

4.Гурьянов Д.И. Электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей в автономных электроприводах // Тез. докл. 3 Всес. науч.-техн. совещ.:Проблемы электромагнитной совместимости силовых полупроводниковых преобразователей. Ч.З. - Таллинн: АН ЭССР, инст-т термофизики и электрофизики, 1986. -С.110-112.

5.Гурьянов Д.И. Статическая оптимизация массогабаритных характеристик электромобилей//Сб.научн.тр.-М. :МЭИ, 1987.-й 136. -С.59-63.

6.Кирпичников В.М. .Дубровин Ы.А. .Гурьянов Д.И. Логико-цифровое моделирование мостового преобразователя //Сб. науч. гр. - Куйбышев: КУАИ.1976. - С.110-113.

7.А.с 1352259 СССР, Устройство для измерения мощности на валу /В.К.Шакурский, Д.И.Гурьянов С.Д.Усов,А.А.Михайлов: Опубл. Б.И. 1987. J6 42. -5с.

8.А.с. 1534725 СССР, Устройство для управления электроприводом постоянного тока по минимуму потерь/Д.И.Гурьянов, А.Н. Ионов, В.В.Капканов, В.К.Шакурский: Опубл. Б.И. 1990, а I.

9.А.с. 1534-726 СССР, МКИ Электропривод постоянного тока/

A.Н.Ионов, Д.И.Гурьянов, В.А.Денисов, В.В.Нашканов:Опубл. Б.И. 1990, Jt Г.

10.А.с. 1585181 СССР, Устройство для рекуперативного торможения транспортного средства/А.Н.Ионов,Д.И.Гурьянов, В.А.Денисов,

B.В.Капканов: Опубл. Б.И. 1990, Л 30.

И.А.с. 1617606 СССР, Электропривод постоянного тока /

A.Н.Конов, Д.И.Гурьянов, В.А.Денисов, В.В.Кашканов:Опубл. Б.И. 1990, £ 48.

12.А.с. 1G31684 СССР, Инвертор /В.М.Шатунов,Д.И.Гурьянов,

B.В.Кашканов, А.Д.Бесхмелышцын: Опубл. Б.И. 1991, Ja 8.

13.Положительное решение от 25.10.91 по заявке Й4792661 от 19.02.90 "Устройство для испытания двигателей"/ А.Н. Ионов, Д.И. Гурьянов, А.Д. Бесхмельницын, В.Н. Гориславец.

14.Положительное решение от 22.06.90г. по заявке .(54752950 от 25.10.89 "Электропривод постоянного тока"/ А.Н. Ионов, Д.И. Гурьянов, С.Н.Гусева, В.Н. Гориславец.

Объем 1 .0 печ.л., тираж 100 экз. заказ И 1522 Отпечатано в ОНГД НГЦ АвтоВАЗ, г.Тольятти. Бесплатно. Подписано в печать 2Т.03.92