автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Оптимизация работы электропривода транспортных средств при питании от свинцово-кислотных аккумуляторных батарей

На правах рукописи

Ал М охам мал Маисса РГБ С Л

2 1 ЯНЗ ГоЗО

ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ПРИ ПИТАНИИ ОТ СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1999

Работа выполнена на кафедае «Электротехника и электрооборудование» Московского государственного автомобильно-дорожного институ-та(технического университета)

Научный руководитель - д-р техн. наук. проф. В.Е.Югт. Научный консультант - канд. техн. наук. доц. В.В.Морозов.

Официальные оппоненты - д-р техн. наук. проф. В.И.Марсов,

канд. техн. наук С.Ю.Шугуров.

Ведущее предприятие - Федеральное государственное унитарное

предприятие - Научно-исследовательский экспериментальный институт автомобильной электроники и электрооборудования(ФГУПНИИ)

Зашита диссертации состоится «-/"/ »^/л^/УЛ/.-^ОООг.. в /О часов на заседании диссертационного совета )Х 053.30.07 ВАК РФ в Московском государственном автомобильно-дорожном институте (техническом университете) по адресу: 125829, г. Москва, ГСП-47, Ленинградский проспект, д.64, ауд. 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ (ТУ).

Отзывы в да ух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в диссертационный совет института.

Автореферат разослан « /О» *

Ученый секретарь диссертационного совета канд. Техн. наук.

доц. Н.В.МИХАЙЛОВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 автомобилей, эксплуатируемых в Москве, за последние 5-6 лет составил около 9%, а их валовой вклад в загрязнение окружающей среды превышает 87%. Кроме того, автомобильный транспорт является основным источником шума и создает 80% 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 рад ряд при высоком к.п.д.

Исследование оптимальных законов управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором (АД) по минимуму тепловых потерь как с учетом, так и без учета электромагнитных явлений и ограничений, а также разработка методики оценки учета электро-

магнитных явлений и автоматизация этих исследований являются актуальной задачей.

Повышение технико-эксплуатационных параметров электромобиля переменного тока тесно связано с исследованием и применением оптимальных режимов работы в частотно-управляемом асинхронном электроприводе с учетом энергетического состояния свинцрво-кислотных аккумуляторных батарей (АБ). Эти задачи невозможно решить без наличия математической модели процесса разряда свинцо-во-кислотных АБ в меняющихся режимах.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

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

2. Установлено, что в процессе оптимального управления АД модуль вектора потокосцепления ротора, даже без учета электромагнитных явлений, не остается постоянным.

3. Разработан критерий эффективного управления системой частотно-управляемого асинхронного электропривода при питании от свин-цово-кислотных АБ. обеспечивающий максимум производительности.

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

Вынпгятпя на чяп1ИТу-1. Математическая модель процесса разряда свинцово-кислотных АБ и способ определения параметров уравнения разряда как в меняющемся ,так и в постоянном режиме.

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

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

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

Практическая ценность и рекомендации по применению: Предложен метод определения параметров предлагаемого уравнения разряда свинцово-кислотных АБ в тех или иных режимах.

Результаты позволяют оценить максимальные возможности АД, а также определить область изменения его параметров, что 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. 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.

Публикация. По теме диссертационной работы опубликовано три статьи. Результаты исследований докладывались на научно-методических и научно-исяледовательсхих конференциях МАДИ (ТУ) в 1997-1998 гг.

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

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ частотного управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором (АД) и анализ существующих уравнений разряда кислотных АБ. Представлены обзор научно-технической информации о накопителях электрической энергии, анализ научно-технических разработок по электромобилям последних лет на основании материалов Международных конференции и симпозиумов, а также работ, проводившихся в МАДИ (ТУ), МГТУ (МАМИ). НАМИ и других организациях России.

Во второй главе рассмотрены задачи оптимального частотного управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором по минимуму тепловых потерь в интенсивных режимах (пусковых режимах) как с учетом, так и без учета электромагнитных явлении, исходя из уравнения двигателя (1)и критерия оптимальности (2):

3<о' = А0у/1р -Мс ; 0)

а '\cPiWr *2Р1Уг ¥\*Рг V' . (2)

где со - частота вращения ротора, рад/с:

и - момент инерции на валу двигателя, кг-мг; Мс- момент сопротивления, Н-м. О - потери в АД, Дж;

Р|> Рг> Рз - постоянные для данного АД параметры, которые можно называть коэффициентами потерь. Управляющими параметрами являются модуль вектора потокосцепления ротора \уг и частота вращения вектора у/ относительно ротора р.

Результаты проведенных исследований, которые решены на основе принципа максимума Понтрягина и Эйлера-Лагранжа, представлены на рис. 1,2,3. На рис.1 приведены линии переключения для АД АЧТ52-4 и фазовые траектории при оптимальном управлении.

1чрк=45< ф п 2-срк=69,2 =*р к 3-ф к = 125> ф и

Рис.I. Линия переключения и фазовые траектории АД АЧТ52-4 при Т=4с; Мс = 2,5 Н-м ; ^0.25 кг-м 2

Из рис.2 видно, что потери в обмотках статора составляют основную долю общих потерь. Поэтому при оптимальном управлении по минимуму потерь в роторе тепловые потери в обмотках статора будут большими, и тем самым не будет обеспечен оптимальный режим. Расчеты также показывают, что потери в обмотках статора, обусловленные созданием магнитного поля О^ „ значительны, и ими нельзя пренебречь при исследовании оптимальных режимов по минимуму тепловых потерь.

На рис.3 показаны границы на плоскости (Мс , ,1оон) для различных т. Для значений параметров Мс и ^1-сон. находящихся ниже полученной границы области, учет электромагнитных явлении обязателен.

Результаты исследований показывают, что при оптимальном пуске основную долю потерь составляют потери в обмотках статора. В

свою очередь, большую часть потерь в обмотках статора составляют потери, обусловленные созданием магнитного потока, поэтому при оптимальном управлении этими потерями нельзя пренебрегать.

0,Дж 101

101

<

• 1 1 I ^

Рис.2. Потери в АД АЧТ52-4 при: Мс = 2.5 Н-м: и=0,25 кг-м г; <рк= 125 Рад

л Л

А \ Й

1-т = 0,3 2-х = 0,2 3-т = 0,15 Рис.З. Границы областей параметров

Третья глава посвящена вопросу формирования уравнения разрядной характеристики свинцово-кислотных АБ в меняющихся режимах которые описываются следующим образом:

о

-л0т-щк /7-(/)лЛ' (О

(3)

с-¡Г (/)А

о

где Ео- ЭДС свинцово-кислотных АБ,В;

А - экспериментальный параметр. В/А-ч;

К- экспериментальный параметр. Ом;

т. п. р - безразмерные параметры разрядной характеристики свинцово-кислотных АБ.

В главе также рассмотрена методика определения этих параметров из условия минимума суммарных квадратичных отклонений. Используется метод целенаправленного поиска с поочередным изменением переменных и поворотом осей на основе экспериментальной разрядной характеристики свинцово-кислотных АБ (рис.4).

Уравнение квадратичных отклонений имеет вид

J-'Z1

4ЛГ

К1[

ТяЛ,

-и,

* £ ШЕо-Аь-Щ2-12

/|(с-/гЧ)

ДСЧ^ГЧс.-сп)]

(4)

—и.

где

с^, - значение емкости, при которой меняется режим разряда. А ч; <3, - весовые коэффициенты, предназначенные для повышения точности аппроксимации на том или ином участке разрядной характеристики свинцово-кислотных АБ;

Ц - величины напряжения свинцово-кислотных АБ при значениях разрядной емкости ц В;

I,, 1г токи разряда, А.

и, В

10

9 _

10 20 30 40 С. 50 60 СргА-ч

Рис.4. Разрядные характеристики свинцово-кислотных АБ 6ЭМ-78

и, В

■--—

!----

к. "^ч V V \ \ \\ V

I \\ V

Л А А \ ? % VII

V!

12

11

10

10 20 30 40 50 60 Ц„А-ч

Рис.5. Разрядные кривые свинцово-кислотных АБ 6ЭМ-78:

.экспериментальные кривые - расчетные кривые согласно (5)

На основе полученных результатов уравнение разряда свинцово-кислотных АБ примет вид

г

и (О = 12.5759 - 0.01281- 00104/(/) -0

0.0108//14662 (/)#' ^ О

-/(/)-

тйз500(0[9б:}/и1«(/)Л]

о

На рис.5 кривые 2 получены при разряде источника током 1=10 А до значения емкости 0=30 А-ч, затем током 1=70 А. Кривые 1 получены при разряде сначала током 1=70 А до значения емкости С=43 А-ч, затем током 1=10 А.

В четвертой главе рассмотрена задача оптимизации работы системы АБ-И-АД в установившихся режимах по минимуму энергетических потерь. Критерий оценки эффективности работы электромобиля (П следующий:

^ =(С -с2) ]гА(0сН. (6)

г. и

Функциональная схема (рис.6) имеет два управляющих параметра: коэффициент модуляции (ц)и абсолютное скольжение ((}). В ис-следуемои системе применяется инвертор (И)с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) напряжения. Установившимся будем называть режим, при котором частота вращения двигателя ш постоянная. Физическая постановка задачи следующая: необходимо так выбирать значение управляющих параметров, чтобы при различных внешних воздействиях за время функционирования системы выражение (6) принимало минимальное значение. Результаты расчетов показывают. что величину абсолютного скольжения нельзя принимать меньше оптимального, так как при этом токи большие, АД насыщается, и не получается требуемый вращающий момент.

и

1А. иА и5 ,ш3

АБ , И АД

' ©5-00 + Р

—(¿ь-

Рис .6. Функциональная схема электромобиля

При заданном значении угла наклона дороги с увеличением скорости вращения увеличиваются требуемые значения коэффициента модуляции и модуля вектора потокосцепления ротора. Так как коэффициент модуляции инвертора и модуль вектора потокосцепления ротора ограничены сверху ( ц £ I ,ц/г £ ц/т), то для заданного наклона дороги, начиная с некоторого значения скорости вращения, абсолютное скольжение должно быть больше оптимального. Выбор значения абсолютного скольжения больше оптимального может быть обусловлен ограниченностью коэффициента модуляции и потокосцепления.

На рис.7 приведены граничные линии (кривая 1, кривая 2 ). Для параметров а и р. значение абсолютного скольжения необходимо брать: из заштрихованной области - равным оптимальному, а вне этой области - больше оптимального. Как видно из рис.7, для заданного

состояния АБ и передаточного отношения редуктора существуют определенные значения угла наклона дороги; а0. ап. схпр. - которые всю область угла наклона дороги разделяют на четыре интервала. При угле наклона дороги а = а0 и частоте вращения <в = со „ электромагнитный момент компенсирует сопротивление воздуха. Для значений наклона дороги а < а о система может находиться в режиме рекуперации. При угле наклона дороги а = а п и частоте вращения со п коэффициент модуляции и потокосцепление принимают максимальные значения. При сравнительно больших значениях частоты вращения и угла наклона дороги а < а п величину абсолютного скольжения необходимо выбирать учитывая ограничение накладываемое на коэффициент модуляции, т.к. при этом кривая 2 расположена выше кривой 1. Для значений угла наклона дороги больше предельного (а < а гр), при любых значениях частоты вращения, значение абсолютного скольжения должно быть больше оптимального. На рис.7 для исследуемой системы, при различных значениях абсолютного скольжения, показано геометрическое место точек перехода (кривая 3). Плоскость параметров угла наклона дороги и частоты вращения АД разделяется сплошными линиями 1,2 и кризой 3 на три области: 30, в, и 5г. В области Б, оптимальным будет режим, при котором коэффициент модуляции имеет максимальное значение, а абсолютное скольжение выбирается в зависимости от частоты вращения в области 32. Для обеспечения оптимального режима необходимо модуль вектора пото-косцепления ротора поддержать постоянным и равным максимальному, а величину абсолютного скольжения выбирать в зависимости от частоты вращения. При этом коэффициент модуляции будет меньше максимального. Увеличение коэффициента модуляции в области Эг при заданном значении абсолютного скольжения приводит к увеличению тока разряда. Двигатель при этом насыщается, а частота и

со,

рад/с 400

300

©л 200

100

а, -0,6 -0,4 -0,2 оц, 0 а*,, 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 а,гр

1)ц~1,Р-Р„„ 2) у,-у, ,р-родт З^Ж-Ч^Р-Р.»

Рис.7. Оптимальные режимы электромобиля на плоскости параметров частоты вращения (га) и угла наклона дороги (а)

момент вращения практически не будут меняться. При эксплуатации электромобиля необходимо учитывать случайные изменения угла наклона дороги. Как видно из рис.7, при постоянном значении абсолютного скольжения будет меняться и скорость движения электромобиля..В областях Б, и Бг невозможно устранить изменения скорости. регулируя систему только по параметру коэсрфициента модуляции. Следовательно, для обеспечения оптимального режима необходимо управлять системой также по абсолютному скольжению.

Таким образом, при больших значениях скорости движения электромобиля для обеспечения минимума тока разряда свинцово-кислотных АБ необходимо поддерживать коэффициент модуляции максимальным и систему управлять абсолютным скольжением, а при малых значениях скорости движения необходимо поддерживать максимальным потокосцепление ротора АД.

Основные выводы по работе

1.Сравнительный анализ существующих уравнений разряда свинцово-кислотных АБ показал, что математическое моделирование процесса разряда осуществляется на основе кинетической теории электродных процессов и полуэмпирическим способом.

2.Получено полуэмпирическое уравнение разрядной характеристики свинцово-кислотных АБ, которое описывает процесс разряда не только в постоянных, но и в переходных режимах. На основе предлагаемого уравнения в течение эксплуатации можно оценить как зарядное, так и энергетическое состояние свинцово-кислотных АБ.

3.Решение задачи оптимального управления АД при использовании разработанного обобщенного критерия позволяет автоматизировать исследования для различных критериев оптимальности.

4.Разработан критерий оптимизации работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в пусковых режимах. Установлено, что при оптимальном частотном управлении пуском АД по минимуму тепловых потерь влияние электромагнитных явлений может быть значительным. Обусловлено это как моментом инерции нагрузки, так статическим моментом сопротивления и конечным значением частоты вращения.

5.Повышение технико-экономических показателей системы АБ-И-АД достигается путем ее управления как с помощью коэффициента модуляции, так и с помощью абсолютного скольжения в зависимо-

сти от угла наклона дороги и скорости движения электромобиля. При этом, независимо от угла наклона дороги, для больших значении скорости движения необходимо значение коэффициента модуляции принять равным единице и управлять системой по абсолютному скольжению.

6.Критерием эффективной эксплуатации электромобиля является минимум изменения переменной составляющей сопротивления поляризации свинцово-кислотных АБ, а в установившемся режиме критерием является минимум тока разряда свинцово-кислотных АБ.

7.Для больших скоростей движения эффективен режим, при котором коэффициент модуляции максимален и системой управляют по абсолютному скольжению.

в.При малых значениях угла наклона дороги и небольших значениях скорости движения электромобиля необходимо величину абсолютного скольжения принять равной оптимальному значению и управлять системой, изменяя коэффициент модуляции. При больших значениях угла наклона дороги и малых значениях скорости движения для обеспечения оптимального режима необходимо управлять системой с помощью как изменения коэффициента модуляции, так и абсолютного скольжения. Причем коэффициент модуляции необходимо выбирать так. чтобы модуль вектора потокосцепления ротора АД принимал максимальное значение.

Основные материалы лиггартаиии отраженны в следующих работах:

1.Ютт В.Е. , Морозов В.В. ,Ал Мохаммад Маисса. Оптимизация частотного управления позиционными АД без учета электромагнитных явлении по минимуму тепловых потерь на основе принципа максимума Понтрягина МАДИ (ТУ). - М. 1998. - 5с. Деп. ВИНИТИ .№1059-В98.

2.Ютт В.Е. , Морозов В.В. .Ал Мохаммая Маисса. Оптимальное частотное управление пуском короткозамкнутого асинхронного двигателя по минимуму тепловых потерь с учетом электромагнитных явлений и ограничений и исследований влияния электромагнитных явлений в зависимости от граничных условий и параметров нагрузки МАДИ (ТУ). - М. 1998. - 7с. Деп. ВИНИТИ .ИЧ060-В98.

3.Ютт В.Е., Морозов В.В. ,Ал Мохаммап Маисса. Отимизаиия работы электропривода транспортных средств при питани от аккумуляторных батарей в установившемся режиме . МАДИ (ТУ). - М. 1998. - 8с. Деп. ВИНИТИ .№3829-698.

.ЧАДИ. а.391 т.100 09.12.99г.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ИЗУЧЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСОВ И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ

1.1. Обзор состояния вопроса оптимального частотного управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором (АД)

1.2.Состояние и сравнительный анализ тяговых электроприводов электромобилей

1.2.1. Коллекторный электропривод постоянного тока

1.2.2. Бесконтактный электропривод

1.2.3. Асинхронный электропривод

1.2.4. Электропривод на основе синхронных электродвигателей

1.3.Анализ существующих уравнений разряда кислотных АБ и обзор научно-технической информации о накопителях электрической энергии

1.4.Новые конструкции электромобилей (ЭМ)

1.5.Постановка задачи-------------------------------------------------——

Выводы по главе 1

ГЛАВА 2. ОПТИМАЛЬНОЕ ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ (АД) ПО МИНИМУМУ ТЕПЛОВЫХ ПОТЕРЬ

2.1 .Анализ известных методов исследования оптимальных режимов —

2.2.Математическая модель работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АД)

2.3.Критерий оценки качества работы асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АД)

2.4.Оптимальное частотное управление асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором (АД)по минимуму тепловых потерь без учета электромагнитных явлений

2.5.Оптимальное частотное управление асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором (АД) по минимуму тепловых потерь с учетом электромагнитных явлений

2.6.Оптимальное частотное управление пуском (АД)по минимуму тепловых потерь с учетом электромагнитных явлений и ограничений и исследований влияния электромагнитных явлений в зависимости от граничных условий и параметров нагрузки

Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗРЯДА

СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

3.1 .Уравнение разряда свинцово-кислотных (АБ)

3.2.Изучение структурных изменений пор активных веществ пластин свинцово-кислотных (АБ) при разряде

3.3 .Математическое описание переменой составляющей сопротивления поляризации

3.4.Методика определения параметров уравнения разряда свинцово-кислотных (АБ) в меняющихся режимах

3.5. Методика определения параметров уравнения свинцово-кислотных (АБ) в установившихся режимах

3.6 .Уравнение емкости свинцово-кислотных (АБ) —

Выводы по главе 3

ГЛАВА 4.ОПТИМИЗАЦИЯ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ПРИ ПИТАНИИ ОТ СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ

АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

4.1 .Критерий оценки эффективности работы электромобиля

4.2.Оптимизация работы системы АБ-И-АД в установившихся режимах по минимуму энергетических потерь

Выводы по главе 4

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 свинцово- кислотные 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.

126

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.

1. Александров Е.Г., Клейбанов С.Б, Суслова О.Б, Мамедов Ф.А., Резниченко В.Ю. Оптимальное по нагреву управление асинхронным короткозамкнутым двигателем при частотном пуске .-Электричество, 1972, №1,с.37-40.

2. Беретинов А.И. Электрические машины авиационной автоматики .-М.: Обо-ронгиз, 1961.-428 с.

3. Богачев Ю.П., Шугуров С.Ю. Октябрьская электромобильная революция: нетрадиционные транспортные средства становятся традиционными// Приводная техника. Октябрь-ноябрь, 1998.

4. Бордачевский В.Т., Бордун М.М. Оптимальное управление частотно-регулируемым асинхронным электроприводом при заданном токе статора и минимальных потерях в роторе .-Изв. Вузов , Электромеханика, 1973,№9, с. 10091012.

5. Боровских Ю.И., Бусыгин Б.П. Электрооборудование подъемно-транспортных машин.- М.: Машиностроение, 1979.-184с.

6. Булгаков A.A. Частотное управление асинхронными двигателями . 3-е изд . пе-рераб. -М.: Энергоиздат, 1982. -216 с.

7. Булгаков A.A. Частотное управление асинхронными двигателями . 3-е изд. пере-раб. -М.: Энергоиздат, 1982. -216 с.

8. Вишневский Г.В. К вопросу определения допустимого числа пусков крановых электродвигателей с короткозамкнутым ротором .-Электромеханика , 1975 ,№1, с.45-49.

9. Ю.Гаврилов П.Д., Ещин Е.К., Грасс В.А. и др. Оптимальное управление частотно-управляемым приводом по минимуму потерь при произвольной нагрузке .-Изв. вузов , Электромеханика ,1973, №9, с.1004-1008 .

10. Герасименко Ю.Я. Математическое моделирование электрохимических процессов в свинцово-кислотном аккумуляторе .- Автореф . Дис.канд .техн .наук -Новочеркасск, 1975,-32с.

11. Гильденбранд А.Д., Кирпичников В.М. Оптимальное частотное управление позиционным асинхронным электроприводом при постоянном критическом моменте ./ Пермский политехнический институт / .-Пермь, 1969 ,№62 ,с.124-133.

12. Государственная программа "Экологическая безопасность России" (1993-1995 гг.) М.:РЭФИА.Т. 1 -1996.

13. Государственный доклад "О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 1997 году" // Зеленый мир. N° 25,26.-1998.

14. Гринберг J1.C. Определение емкости аккумуляторов по начальным точкам разрядной кривой.- Сб. Работ по ХИТ.- M.-JL: Энергия, 1966 ,вып.1,с.222-226.

15. Гурьянов Д.И., Петленко А.Б., Фомин А.П. К построению тяговых систем электромобилей // Развитие автомобильной электроники и электрооборудования / Материалы четвертого симпозиума. М.: НИИАЭ, 1993.

16. Дижур М.М., Петленко А.Б., Докучаев С.В. Индивидуальные транспортные средства с электроприводом и емкостным накопителем энергии // Электротехнические системы транспортных средств и их роботизированных производств/ Сб.научн.тр.-М.:М АМИ, 1995.

17. Докучаев СД., Петленко А.Б., и др. Тенденции развития напольного внутрицехового транспорта // Электротехнические системы транспортных средств и их роботизированных производств / Сб. научн. тр.-М.:МАМИ, 1995.

18. Ефремов И.С., Косарев Г.В. Теория и расчет троллейбусов. М.: Высшая школа. 1981.

19. Клюев A.A. ,Колесников A.A. Оптимизация автоматических систем управления по быстродействию .-М.: Энергоиздат ,1982. -240 с.

20. Ковач К.П., Рац И .Переходные процессы в машинах переменного тока .-M.-JL: Госэнергоиздат, 1963. -744 с.

21. Корн Г., Корн .Т. Справочник по математике .-М.: Наука, 1973 ,-832 с.

22. Кривицкий М.Я. ,Дмитренко Ю.А. Оптимальное управление частотным пуском асинхронного двигателя с учетом теплового переходного процесса ./ Преобразовательная техника в тиристорном электроприводе /.- Кишинев ,1977, с.11-17.

23. Методика и результаты оценки воздействия автомобильного транспорта на загрязнение окружающей среды региона крупного города: на примере г.Москвы. -М.:Прима-Пресс. 1997.

24. Панасюк А.И. Асимптотический метод расчета оптимальных устройств управления .Автореф .дис. канд. Техн .наук. -Минск ,1977 . -20с.

25. Панасюк В.П. , Политико Э.Д.,Петренко Ю.Н. Оптимальное частотное управление асинхронным двигателем в позиционном процессе. Электромеханика , 1984,№10,с.96-100.

26. Петров И.И. , Мейстел А.М. Специальные режимы работы асинхронного электропривода .-М.: Энергия ,1968. -264с.

27. Петров Ю.П. Вариационне методы теории оптимального управления . -2-е пере-раб .и доп .изд. -JI.: Энергия, 1977 .-220с.

28. Петров Ю.П. Оптимальное управление электроприводом .-M.-JL: Госэнергоиз-дат,1961.-187с.

29. Петленко Б.И. Математическое моделирование электромобиля с комбинированной энергоустановкой. // Электричество, №11, 1991.

30. Постановление Правительства Москвы N»341 от16.04.96 «О мерах по снижению вредного влияния автотранспорта на экологическую обстановку в Москве».

31. Постановление Правительства Москвы №860 от 27.04.94 «О Комплексной экологической программе Москвы».

32. Проблемы и методы обеспечения экологической безопасности автотранспортного комплекса Московского региона. М: МАДИ, 1998 г.

33. Романов В.В., Хашев Ю.м. Химические источники тока .-М.:Советское радио, 1978. -263 с.

34. Рост автомобильного парка города, ожидаемые последствия. Оценка проблемы и пути решения: Аналитический доклад. М.: РЭФИА,1995.

35. Асинхронный частотный электропривод в цветной металлургии ./В.Г. Сальников, Бобков В.А., Копырин B.C. и др У.-М.: Цветметинформция, 1975,-56с.

36. Сандлер A.C., Сарбатов P.C. Частотное управление асинхронными двигателями .М.: Энергия, 1966, -146с.

37. Сейдж Э.П., Уайт Ч.С. Оптимальное управление системами .-М. :Радио и связь , 1982.-392 с.

38. Сурин Е.И., Буренков И.А. Оценка методов расчета нестационарных режимов нагружения тяговых аккумуляторных батарей. Депонировано в ВИНИТИ 23.12.98 г. №3819-В98.

39. Сурин Е.И. Электромобиль с аккумуляторными батареями или накопителями энергии. Депонировано в ВИНИТИ 02.07.98 г. №20б4-В98.

40. Сыромятников И.Н. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей , 4-ая изд. Перераб .и доп. -М.: Энергоатомиздат ,1984, -240с.

41. Тиристорная преобразовательная техника в цветной металлургии .-М.: Металлу ргия, 1983.-128с.

42. Хамудханов М.З., Хашимов А.А. Исследование оптимальных законов изменения управляющих воздействий частотно-управляемого асинхронного электропривода в динамических режимах .-Асинхронный тиристорный электропри-вод.Свердловск, 1971 .с.130-132.

43. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование -М.: мир, 1975, -536с.

44. Шрейнер Р.Т., Гильдебранд А.Д. Оптимальное по быстродействию частотное управление скоростью асинхронного электропривода в замкнутых системах регулирования . Электричество, 1973, N910, с. 22-28.

45. Шрейнер Р.Т., Карагодин М.С. Исследование оптимальных по быстродействию процессов изменения скорости асинхронного двигателя при частотном управлении. Электромеханика, 1973, N»9, с. 1012-1019.

46. Шрейнер Р.Т., Кривицкий М.Я. Об оптимальном по нагреву использования асинхронном электродвигателе в переходном процессе . Пермский политехнический институт, 1972 ,№117, с. 159-166.

47. Шрейнер Р.Т., Кривицкий М.Л. Оптимальное по минимуму потерь частотное управление асинхронным электроприводом в электромеханическом переходном процессе.- Электромеханика ,1975,№1,с.75-81.

48. Шрейнер Р.Т., Кривицкий М.Я. Оптимальное по минимуму потерь управление частотно-регулируемым асинхронным электроприводом в механическом переходном процессеЭлектромеханика, 1972, №8, с. 881-886.

49. Шубенко В.А., Шрейнер Р.Т., Мищенко В.А. Оптимизация частотно-управляемого асинхронного электропривода по минимуму тока .- Электричество,! 970 ,№9,с.23-26.

50. Шубенко В.А., Шнейрен Р.Т., Мищенко В.А. Частотно-управляемый асинхронный электропривод с оптимальным регулированием абсолютного скольжения .Электромеханика ,1970,№6,с. 676-681.

51. Эйдинов А.А., Дижур М.М. Новые направления развития источников тока для электромобилей. Автомобильная промышленность, № 2,1983.

52. Эйдинов А.А. Электромобили. Учебное пособие. -М.: НАМИ, 1997.

53. Экологические проблемы больших городов: инженерные решения. М.:МНЭПУ, 1997.

54. Экология Москвы. Экологическая программа столицы. М.: Олимп. 1996.

55. Электрохимические конденсаторы компании «ЭСМА». Моск. обл., г.Троицк, ЗАО «ЭСМА», 1998.

56. Ютт В.Е., Сурин Е.И., Логачев В.Н. Исследование структуры и стратегии управления автомобилем с КЭУ. Суздаль; докл. межд. Научно-практ. Семинара, 1993.

57. Joseph Beretta, PSA Peugeot Citroen. "Developing niches". Electric&Hybrig Vehicle Technology'98. U.K.&Intemational Press. 1998.132

58. Erik Figenbaum, PIVCO. "Unique city car". Electric&Hybrig Vehicle Tech-nology'98. U.K.&Intemational Press. 1998.

59. Wolfgang Strohbl, BMW AG. "Whispers on power". Electric&Hybrig Vehicle Technology'98. U.K.&Intemational Press. 1998.

60. King R.D., Koegl R.A., Salasoo L., Haefiier K.B. Гибридная электрическая тяговая система автобуса. Доклад на конференции EVS-14.

61. GEC Alsthom, France. "Integrated drive trains for EVS". Доклад на 13 международной конференции по электромобилям. Electric&Hybrig Vehicle Tech-nology'96. U.K.&Intemational Press. 1996.

62. Holden J. "The right stuff. Electric&Hybrig Vehicle Technology'97. U.K.&Intemational Press. 1997.