автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение энергоэффективности тяговой системы внутризаводского электротранспорта с комбинированной энергоустановкой

На правах рукописи

ПИОНТКОВСКАЯ Светлана Артуровна

Повышение энергоэффективности тяговой системы внутризаводского электротранспорта с комбинированной энергоустановкой

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара 2005

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Тольяттинском государственном университете на кафедре «Автотракторное электрооборудование».

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент кафедры

"Педагогика, психология и методика образования" Тольяттинского государственного университета Гурьянов Дмитрий Иванович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор кафедры

"Автоматизация машиностроения" Тольяттинского государственного университета Морговский Юлий Яковлевич,

- кандидат технических наук, профессор кафедры "Управление качеством в общеобразовательных и производственных системах" ГОУ ВПО "Волжский университет им. В. Н. Татищева" Николаев Александр Дмитриевич

Ведущая организация - Федеральное государственное унитарное

предприятие "Научно-исследовательский и экспериментальный институт автомобильной электроники и электрооборудования" г. Москва.

Защита состоится «24» февраля 2005 г., в 10 час 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Самарском государственном техническом университете (СамГТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СамГТУ.

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, Молодогвардейская ул. 244, СамГТУ, главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04; факс: (8462) 78-44-00; e-mail: aees@samgtu.ru

Автореферат разослан «17» января 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.217.04, кандидат технических наук, доцент

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Работам по механизации и автоматизации транспортных операций, являющихся одними из самых трудоемких на производстве, уделяется большое внимание во всем мире. Практически весь подвижной состав напольного внутризаводского транспорта состоит из электромобильного, так как в отличие от автомобилей у электромобилей отсутствует выброс в окружающую среду токсичных газов, что позволяет им работать в закрытых помещениях (заводских цехах, трюмах кораблей, ж/д и автовокзалах, аэропортах и т.д.), не загрязняя воздуха. Вместе с тем, у электромобильного транспорта есть и свои недостатки. Прежде всего, это ограниченный пробег без подзарядки бортового источника энергии.

Анализ литературных источников показывает, что разработка и создание электротранспорта в основном сводится к совершенствованию бортовой энергоустановки, питающей тяговый электродвигатель. Поэтому, актуальной является проблема оптимизации параметров бортовой энергоустановки, в том числе совместным применением накопителей энергии различной физической природы в ее составе.

Таким образом, становится актуальной важная научно-техническая задача повышения энергоэффективности тяговой системы этого транспортного средства, решение которой существенно повысит эффективность использования ограниченного запаса энергии на борту, внося заметный вклад в производительность напольного внутризаводского электротранспорта (НВЗЭТ).

В диссертации дополнена концепция системного подхода к оптимизации параметров НВЗЭТ, основанная на накопленных к настоящему времени исследованиях общих закономерностей энергопреобразования в тяговой системе, а также различных накопителей энергии, применяемых в составе комбинированной бортовой энергетической установки электротранспортных средств.

Цель и задачи исследования. Выполненный обзор современного состояния НВЗЭТ позволяет сформулировать основную цель диссертационной работы как повышение технико - эксплуатационных показателей НВЗЭТ путем повышения энергоэффективности его тяговой системы на основе комплексных исследований взаимосвязей, процессов и закономерностей в нем.

Для обеспечения реализации поставленной в работе цели необходимо было решить следующие задачи:

- дать анализ современного состояния и перспектив развития электромобилестрое-ния и бортовых накопителей энергии;

- разработать обобщенную математическую модель внутризаводского электротранспортного средства с комбинированной энергоустановкой (КЭУ);

- установить совокупность взаимосвязей в НВЗЭТ с КЭУ и решить задачу повышения энергоэффективности тяговой системы этого транспортного средства;

- провести комплексные исследования опытного образца НВЗЭТ в реальных условиях движения и с помощью обобщенной математической модели, выполнить сравнительный анализ интегральных расчетных и экспериментальных технико-эксплуатационных показателей при различных параметрах движения и разработать рекомендации по их улучшению для НВЗЭТ.

Методика проведения исследований. Аналитические исследования взаимосвязей, процессов и закономерностей в тяговой системе НВЗЭТ осуществлены гра-

фоаналитическим методом с использованием основных положений теории автомобиля, тягового электропривода и методов математического моделирования. Выявленные количественные взаимосвязи между параметрами исследуемых накопителей энергии и тягового электропривода представлены в аналитическом виде и графической интерпретацией. Результаты и выводы работы теоретически обоснованы и подтверждены расчетами и экспериментами.

Основные положения, выносимые на защиту:

- методика статической оптимизации распределения масс в КЭУ внутризаводского электротранспорта, включающей в себя тяговую аккумуляторную батарею (ТАБ) и емкостной накопитель энергии (ЕНЭ);

- методика расчета оптимального передаточного числа трансмиссии тягового электропривода, позволяющая уже на стадии проектирования учитывать при расчетах влияние массо-габаритных показателей, конструктивных характеристик и эксплуатационных свойств НВЗЭТ;

- аналитическая зависимость суммарных потерь в тяговой системе при смешанном управлении двигателем постоянного тока с независимым возбуждением;

- методика повышения энергоэффективности импульсного управления тяговым электродвигателем (ТЭД) путем минимизации пульсационных и коммутационных потерь для НВЗЭТ с КЭУ в составе ТАБ и ЕНЭ;

- результаты аналитических, расчетных и экспериментальных исследований КЭУ в составе ТАБ и ЕНЭ НВЗЭТ.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

- предложена методика статической оптимизации распределения масс ТАБ и ЕНЭ в составе КЭУ с учетом их разрядных и вольт-амперных характеристик;

- предложена методика расчета оптимального передаточного числа трансмиссии тягового электропривода, позволяющая уже на стадии проектирования учитывать при расчетах влияние массо-габаритных показателей, конструктивных характеристик и эксплуатационных свойств НВЗЭТ;

- предложена методика статической оптимизации суммарных потерь в тяговой системе при смешанном управлении двигателем постоянного тока с независимым возбуждением, в том числе при импульсном управлении путем минимизации пульсационных и коммутационных потерь для НВЗЭТ с КЭУ в составе ТАБ и ЕНЭ с учетом их разрядных и вольт-ампер ных характеристик.

Практическая значимость.

- разработаны типовые испытательные циклы для тестирования НВЗЭТ с учетом статистики транспортных операций;

- уточненная обобщенная математическая модель НВЗЭТ была использована в учебном процессе высших учебных заведений;

- проведенные исследования потребительских и эксплуатационных свойств НВЗЭТ с КЭУ в составе ТАБ и ЕНЭ подтвердили целесообразность и необходимость его разработки, как удовлетворяющего основным эксплуатационным характеристикам внутризаводских транспортных средств.

Реализация результатов. Полученные результаты теоретических исследований и расчетов использованы при разработке новых моделей НВЗЭТ, например, при разработке внутризаводского транспортного средства на Волжском автозаводе в

4

г. Тольятти, а также при подготовке инженеров по специальности 180800 «Автотракторное электрооборудование» в качестве учебных пособий по курсовому и дипломному проектированию в Тольяттинском государственном университете и в Московском государственном техническом университете «МАМИ».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены, дополнены и одобрены на всероссийской научно-технической конференции 22 - 23 мая 2003 года «Современные тенденции развития автомобилестроения в России».

Публикации. Список научных трудов по диссертационной работе составляет 15 наименований.

Структура и объем диссертации. Результаты изложены на 168 страницах машинописного текста, иллюстрированного 29 таблицами и 35 рисунками.

Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами по каждой главе, заключения, списка использованной литературы и приложения.

Содержание работы

Во введении дано обоснование актуальности диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, выделены положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведен анализ современного состояния и тенденций развития напольного внутризаводского электротранспорта, сформулированы цель и задачи, решаемые в диссертационной работе.

Во второй главе для решения задачи повышения энергоэффективности тяговой системы НВЗЭТ был сформулированы критерий оптимальности, ограничения и управляющие параметры при оптимизации тяговой системы.

Ограничениями при решении задачи оптимизации выступают тип тяговой системы, тип накопителей в составе КЭУ и ездовой цикл НВЗЭТ, определяющий класс электротранспортного средства.

На рис. 1 представлена предлагаемая функциональная схема тяговой системы.

Рис. 1. Принципиальная схема тяговой системы НВЗЭТ

Такое построение силовой цепи (параллельная структура КЭУ) позволяет обеспечить последовательное подключение ТАБ и ЕНЭ к ТЭД с силовой развязкой транзисторными ключами бортового вентильного преобразователя (БВП), рекуперацию энергии в ЕНЭ при торможении (при работе ТЭД в генераторном режиме) и режим электрического торможения. При этом порядок работы силовых ключей формируется микроконтроллерным модулем БВП согласно заданной программе и управляющих

сигналов со стороны водителя для обеспечения заданного режима движения электротранспортного средства. Режимы работы ТАБ и ЕНЭ в составе КЭУ систематизированы в табл. 1.

Таблица 1

Режимы работы ТАБ и ЕНЭ

Режим движения НВЗЭТ с КЭУ Режим работы КЭУ

Разгон Разряд ЕНЭ

Равномерное движение по горизонтальной поверхности (дороге) Разряд ТАБ

Равномерное движение на подъем Разряд ТАБ

Равномерное движение под уклон Заряд ЕНЭ

Торможение Заряд ЕНЭ

Таким образом, емкостной накопитель должен взять на себя энергообеспечение в случае преодоления тяговой системой пиковых нагрузок, создавая ТАБ практически стационарный режим работы, и обеспечить рациональную рекуперацию энергии при торможении и движении транспортного средства под уклон.

После рабочей смены бортовые накопители энергии заряжаются от стационарного источника питания до номинального состояния, поэтому необходимо, чтобы предприятие, эксплуатирующие электротранспорт, имело соответствующую базу для поддержания его в рабочем состоянии и обеспечении необходимого обслуживания и ремонта в процессе эксплуатации.

В табл. 2 и 3 систематизированы параметры современных накопителей энергии, применяемых в составе КЭУ электротранспортных средств.

Таблица 2

Параметры современных тяговых аккумуляторных батарей

Показатели Электрохимическая система

СКА НКА М-МН

Среднее напряжение при двухчасовом разряде, В 1,9 1,2 1,2

Удельная энергоемкость, Втч/кг (при 5-ичасовом разряде) 40 55 80

Удельная мощность пиковая, Вт/кг 100 100 100

КПД цикла заряд-разряд 0,75 0,6 0,75

Наработка, циклы 500 2000 1500

Время заряда (нормальное), ч 5-8 4-7 3-5

Рабочая температура, °С -20 +50 -70 +50 -70+50

Капитальные затраты (по отношению к СКА) на 1 кВтч 1,0 2,6 3,2

Свинцово-кислотные аккумуляторы (СКА) находят широкое применение на современных электротранспортных средствах благодаря дешевизне. В качестве ТАБ НВЗЭТ также выбираем аккумулятор этой системы. До недавнего времени использование ЕНЭ считалось малоперспективным и трудоемким из-за характеристики разряда. Появление емкостных накопителей, на основе целевых исследований ГНТП Миннауки РФ "Высокоскоростной экологически чистый транспорт", индивидуальных программ ГНЦ НАМИ, МАМИ, МАДИ, ГНПП "Квант", МЭИ, АО ГАЗ, НПК "Альтен", НПФ "Кварк", НПО "Муссон", НПО "Автоэлектроника", ОАО "АвтоВАЗ" и др., с большой удельной энергоемкостью позволяет рассматривать их как перспективный накопитель энергии для автономных транспортных средств.

Таблица 3

Параметры емкостных накопителей энергии

№ Изготовитель Тип ЕГО Параметры

и», в С,Ф \У, кДж/кг 1»е масса, кг объем, дм3

1 «Композит» Москва НСД 14/1 14 200 3,9 0,34 5 3,2

2 «Эконд», Москва ИКЭ 9/14 14 100 0,75 1,0 12 4

3 «Эконд», Москва МИГ 20/24 24 100 1,24 0,8 24 12

4 «Инкар», Калининград 18 1800 6,5 - 3,9 1.6

5 «Элит», Курск Униф. модуль 24 145 2,3 - 18 11

6 «Эсма», Москва 50КДЭС-30 85 2600 7,1 ■ 125 80

7 НИИЭИ, Электроугли - 150 60 5,3 4 130 90

На основании статистической обработки реальных маршрутов движения подвижного состава НВЗЭТ и анализа существующих в мире типовых испытательных циклов предложена процедура формирования ездовых циклов для тестирования НВЗЭТ для различных условий движения. На рис. 2 приведены время-скоростные диаграммы испытательных циклов, разработанных для тестирования НВЗЭТ, а в табл. 4 систематизированы характеристики их фаз.

О * 14 20 40 • • ам ли««

а б

Рис. 2. Испытательные циклы №1 (а) и №2 (б) для тестирования НВЗЭТ

Таблица 4

Параметры испытательных циклов для тестирования НВЗЭТ

Параметры Ускорение, Скорость, Время, Путь, Итого

м/с2 м/с с м Время, с Путь, м

№ Движение Цикл №1 Цикл №2 Цикл №1 Цикл №2 Цикл №1 Цикл №2 Цикл №1 Цикл №2 Цикл №1 Цикл №2 Цикл №1 Цикл №2

1 Ускорение 0,625 0,625 0...5 0... 5 8 8 20 20 8 8 20 20

2 Равн. движение 0 0 5 5 6 14 30 70 26 22 50 90

3 Торможение -0,833 -1 5...0 5...3 6 2 15 8 32 24 65 98

4 Равн. движение - 0 3 8 - 24 32 122

5 Торможение - -0,75 3... 0 - 4 - 6 36 128

б Стоянка 0 0 0 0 20 4 0 0 40 40 65 128

На рис. 3 представлены укрупненная блок-схема тяговой системы (ТС) НВЗЭТ (б) и мнемосхема энергетического баланса (а). На рис. 2 а также показаны \Уввт №тэд, КТР - энергии на входе соответствующих модулей тяговой системы.

Разгон Уст. Замедление Торможение щшк

а б

Рис. 3. Режимы энергопреобразования в ТС НВЗЭТ: а - мнемосхема энергетического баланса; б - укрупненная блок-схема ТС НВЗЭТ

Расход энергии за цикл ТР^Эу КЭУ можно выразить соотношением:

Ку = (Ус + »* + Щг + А^тзд + А + №юу)р +Кш,р +

где: = - затраты энергии на преодоление сил трения качения (1^/), аэ-

родинамического сопротивления и силы инерции при разгоне или повороте транспортного средства; - затраты энергии в бортовой сети НВЗЭТ; А^Таэу> А^ЛЭЛ) - потери энергии в модулях системы тягового электропривода

(КЭУ, БВП, ТЭД, трансмиссии); ТУ^р - кинетическая энергия, накопленная в фазе разгона; (Ура - энергия, рекуперируемая в ЕНЭ при торможении. В приведенном уравнении энергетического баланса индексы фаз цикла разгона «Р», установившегося движения «УД» и торможения «Т» относятся к каждому слагаемому, находящемуся внутри соответствующих скобок.

При известных силах сопротивления движению можно получить необходимые характеристики и параметры силовых агрегатов тяговой системы НВЗЭТ. Определение и оценка этих сил является важнейшая составной частью исследования тягово -скоростных свойств НВЗЭТ и режимов энергопреобразования в силовых цепях передачи потока мощности от КЭУ к ведущим колесам.

Критерием оптимальности при оптимизации тяговой системы выбираем запас хода НВЗЭТ за один полный разрядный цикл бортовой энергоустановки. Это позволяет учитывать изменения параметров накопителей в составе КЭУ в процессе их разряда. Особенно сильно от степени разряженности зависят характеристики ТАБ, их изменения невозможно отследить на протяжении одного ездового цикла. Количество рекуперируемой емкостным накопителем энергии также изменяется в процессе разряда бортовой энергоустановки.

В качестве управляющих параметров выбираем распределение масс накопителей выбранного типа в составе КЭУ. Увеличить энергоэффективность тяговой системы можно также изменением способа управления током возбуждения тягового электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением.

Оптимизацию будем вести численным анализом с помощью математической модели, аналитически описывающей изменения вольт-амперных характеристик накопителей энергии аппроксимирующими выражениями, учитывающими влияние степени их заряженности и величин разрядных токов. Эта математическая модель должна обеспечивать:

- моделирование бортовых накопителей энергии с различными вариациями составляющих величин токов и напряжений;

- учет рекуперации энергии при торможении и движении под уклон НВЗЭТ;

- учет совместной работы ТАБ и ЕНЭ в составе КЭУ НВЗЭТ;

- имитацию различных режимов движения НВЗЭТ.

Третья глава посвящена разработке этой математической модели, включающей в себя математические модели тяговой системы и режимов движения НВЗЭТ.

Предложенная математическая модель ТАБ обеспечивает адекватность воспроизведения поведения источника при разряде от самых малых до токов короткого замыкания. В работе разработаны аппроксимирующие выражения для теоретического описания интегральных характеристик современных свинцово-кислотных ТАБ и получены уточненные постоянные аппроксимации для этих зависимостей.

Емкость Q при разряде током 1Г предлагается определять по формуле:

где 1р - ток разряда; А, В, а, ¡3 - постоянные аппроксимации, а известные формулы разрядных характеристик систематизированы в табл. 5.

Таблица 5

Коэффициенты аппроксимации разрядной характеристики свинцово-кислотной ТАБ «Genesis- 14Ah»

" Л£оэффициекгы аппроксимации, —„условие разряда Уравнение аппроксимации ------ Коэф< шциенты аппроксимации

0.7...10А 10 А.../„ 0,7 А... /„

С= 14,1246 л = 1,1680 С = 22,6983 л = 1,3145 С =14,1246 в = 1,1680

В-1,0811 и = 0,8320 В = 0,8682 и- 0,6855 В = 1,0129 л = 0,8959

* в '(/)' 2е_£. Ю kjAE.-VJ р В = 1,0429 «=-0,9200 ^=0,1483 В = 0,9358 «=-0,8805 ¿9=0,2320 В = 1,0041 «=-4,1880 /?= 0,0223

е-й*. А (0 ~в р 0) А = 0,4594 « = -0,6537 /3=0,5132 В = 0,0288. А = 0,4796 «=-0,9781 /?= 1,1724 В = 0,0288 А = 0,4988 «=-2,1309 /3=0,5132 В = 0,0288

На рис. 4 приведены зависимости внутреннего сопротивления от степени разря-женности свинцово-кислотных ТАБ «Genesis» и «Electrosource» (США). Эти зависимости аппроксимируются уравнением:

R = a + 6ехр(- c-Q), где коэффициенты аппроксимации:

— для «Genesis» a = 3,6237; b = 0,139; с = -28,4253;

— для «Electrosource» a = 3,7975; b = 0,0150; с = -16,0664.

Рис. 4. Зависимость внутреннего сопротивления свинцово-кислот-ных тяговых аккумуляторных батарей от их степени разряженности

Величина пробега электротранспортного средства оценивается энергоемкостью, а динамики - мощностью ТАБ. При разработке НВЗЭТ в частности, и электромобилей в целом, важно иметь зависимости удельной энергоемкости £ тяговой аккумуляторной батареи от ее удельной мощности р^. На основе экспериментальных данных были построены зависимости £ОТрцуц (рис. 5), позволяющие определить энергетические и мощностные свойства ТАБ.

Рис. 5. Зависимость удельной энергоемкости от 200 250 зоо р^ ит/кг удельной мощности СКА

По экспериментальным данным выведены формулы зарядно-разрядных и ВАХ емкостных накопителей энергии, а также разработана математическая модель емкостных накопителей энергии (ЕНЭ).

При постоянной силе разрядного тока /е„ разрядное напряжение ЕНЭ будет линейно уменьшаться в зависимости от времени разряда I.

где С/«,,«; — начальное напряжение ЕНЭ; Сеи- емкость ЕНЭ.

Баланс мощности ЕНЭ определится следующими выражениями:

где Рея— мощность емкостного накопителя; Др — потери мощности в системе электропривода; — полезная мощность в системе электропривода.

Энергетический баланс ЕНЭ определяется следующими выражениями:

0

EH^EH

где Weh — начальная энергия емкостного накопителя; Aw — потери энергии в системе электропривода; W„B!, — полезная энергии в системе электропривода.

Исходными для моделирования тягового электродвигателя являются заданная скорость движения НВЗЭТ и соответствующее ей тяговое усилие на ведущих колесах, а так же их изменение во времени.

Нелинейная зависимость магнитного потока ТЭД Ф от тока возбуждения iß в разработанной математической модели аппроксимируется полиномом:

где Ф„, 1„ - номинальные магнитный поток и ток возбуждения; А, В,С,Б- коэффициенты аппроксимации.

Разработанная обобщенная математическая модель (ОММ) предназначена для многовариантного расчетного исследования комплекса «автономное транспортное средство - тяговая система - условия и режим движения» с целью выбора данных для оптимального сочетания параметров энергоустановки и тягового электропривода электротранспортного средства с заданными эксплуатационными характеристиками. Объектом моделирования является НВЗЭТ в комплексе с тяговым электроприводом и питающей его бортовой энергоустановкой, а также режимы движения этого транспортного средства. Моделирование производится до момента, когда запас энергии в КЭУ снизится до величины, при которой напряжение на выходе КЭУ при нагрузке резко падает и дальнейший разряд не имеет никакого практического смысла. По завершению моделирования каждого варианта формируются два массива результирующих данных:

- интегральные данные за весь пробег транспортного средства (до окончания запаса энергии в бортовой энергетической установке);

- характеристики изменения параметров регулируемого комплекса во времени, представленные в виде графиков за один испытательный цикл.

Интегральные результаты охватывают следующие параметры: Ь - запас хода, км; - суммарное время в рейсе, ч; Ы„- количество выполненных циклов движения; Т]£ - общий КПД использования энергии, %; аг - удельно-приведенный расход энергии, Втч/ткм. Характеристики изменения параметров комплекса включают следующие характеристики за цикл движения: и - скорость движения транспортного средства, км/ч; I - пройденный путь, м; Б* - сила тяги на колесе, Н; М„ - момент на колесе, Нм; Р„ - мощность сил сопротивления движению, кВт; W - энергия, затраченная на движение, Втч; и — напряжение на зажимах ТАБ, В; 1„ - ток ЕНЭ, А.

Все эти параметры являются критериями для оценки результатов проектирования, поскольку определяют эксплуатационные качества НВЗЭТ.

ЯН * ЙМ * вн

Предложенная ОММ реализована в программном обеспечении «AutoLab», пользовательский интерфейс которого представлен на рис. 6.

Рис 6 Пользовательский интерфейс разработанного программного обеспечения

Четвертая глава посвящена статической оптимизации распределения масс ТАБ и ЕНЭ в составе КЭУ и суммарных потерь в тяговой системе с учетом оговоренных во второй главе критериев и ограничений.

Исследования проводились на математической модели с помощью разработанного программного обеспечения. Объектом исследования являлось напольное внутризаводское электротранспортное средство с комбинированной бортовой энергоустановкой в составе ТАБ и ЕНЭ. Его основные технико-эксплуатационные характеристики систематизированы в табл. 6.

Таблица 6

Основные технико-эксплуатационные характеристики НВЗЭТ

Параметры, характеристики Величина параметра, характеристики

1 2

Массо-габаритные параметры НВЗЭТ

грузоподъемность, кг 600

масса бортовой энергоустановки, кг 350

полная масса НВЗЭТ, кг 1400

коэффициент расчета миделева сечения 0,8

Конструктивные характеристики НВЗЭТ

коэффицент аэродинамического сопротивления 0,72

коэффициент учета вращающих масс 1,04

радиус качения колеса, м 0,265

передаточное число трансмиссии НВЗЭТ 12,425

Характеристики эффективности тяговой системы НВЗЭТ

КПД трансмиссии 0,76

КПДТЭД 0,75

КПДБВП 0,96

КПД заряда и разряда ТАБ 0,85

1 2

Дорожно-эксплуатационные условия движения

коэффициент сопротивления трения качения 0,01

ускорение свободного падения, м/с2 9,8

удельная плотность воздуха, кг/м3 1,25

максимальная скорость движения, км/ч 25

Тяговый электродвигатель ПТ-125

Напряжение питания, В 72

Максимальная мощность, кВт 11,5

Максимальный момент на валу, Нм 110

Максимальная частота вращения, об/мин 3000

Свинцово-кислотная ТАБ «Оепе8К-28АЬ»

Номинальная емкость 1-го элемента, Ач 28

Номинальное напряжение, В 12

Масса, кг 3,82

Число элементов в блоке, шт 6

Номинальное напряжение блока, В 72

Максимальное число блоков в батарее, шт 15

Емкостной накопитель ЕМ-20

Номинальное напряжение 1-го элемента, В 128

Номинальная емкость, Ф 20

Номинальное сопротивление, Ом 0,05

Удельная энергоемкость, кДж/г 0,53

Масса, кг 30

Максимальное число элементов в батарее, шт 12

На основе много вар иантных исследований на рис. 7 построена зависимость запаса хода НВЗЭТ от процентного соотношения масс ТАБ и ЕНЭ выбранных типов в составе КЭУ при неизменной полной массе бортовой энергоустановки.

Доля массы ТАБ в КЭУ, %

Рис 7 Зависимость запаса хода НВЗЭТ от процентного соотношения масс ТАБ и ЕНЭ

13

Для выбора способа управления током возбуждения ТЭД постоянного тока с независимым возбуждением необходимо найти суммарные потери при двухзонном и смешанном управлениях по цепям якоря и возбуждения при реализации одних и тех же тяговых режимов, а затем сравнить найденные величины.

Сравнительный анализ двух способов регулирования (двухзонного и смешанного с минимизацией потерь) иллюстрируется на рис. 8.

Рис. 8. Сравнительный анализ способов управления ТЭД

На одном из них (рис. 8 а) представлены согласованные изменения управляющих воздействий (/,, £/ И 1в„т, ^о»«) и соответствующие им изменения суммарных потерь (дР1,ЬР1„т') в зависимости от угловой скорости. Другой график (рис. 8 б) характеризует зависимости 1(ч>), И ¡„„(а), г/„_(<»). Приведенные результаты получены методом численного анализа для ТЭД ПТ-125 с независимым возбуждением.

Таким образом, анализ показывает, что снижение потерь в двигателе обеспечивается, в основном, уменьшением тока в его якорной цепи (рис. 8 б), что благоприятно отражается на работе бортовой энергоустановки, поскольку уменьшаются относительные расходы емкости AQIQ0и энергоемкости

Значение Фоп„ магнитного потока, минимизирующее суммарные потери АР% при фиксированных режимных параметрах для смешанного способа регулирования

Ф =

РКМ

Г—-*

к ЧкЧ.+к/рь.Го- •

Аналитические исследования, предметом которых является минимум потерь ТЭД, выполнен для двух вариантов широтно-частотного регулирования (ШЧР) , а также для релейного регулятора (РР) . Получен-

ные по формуле (16), с учетом суммарных потерь мощности в ТЭД, аналитические зависимости систематизированы в табл. 7.

Законы регулирования Формулы потерь мощности Оптимальные значения управляющих воздействий

тт 1Г1 ЯяМг Л^Ф2 , -+ , „ +кса°Ф1 № ш Ф = опт итт = -А рЬяМ яй к {кХ+кЛрЬ^а*' т

тщ ивоП.-Р1'. ,, КМ

ЛРД4) ЛО V2 ,„ ,г , » КцГ'ЧШ. ^ В опт ^Я опт 1 !/■ м Я»

- ^В опт/ ' /Р

Значение минимума потерь мощности д/> М / уЦкХ+к^Ут')! < V*1 , кЛРк?о" ]

" к-р.Ь, + *,(/>!„) V + кХрЮ'ф"

Таким образом, получена аналитическая зависимость суммарных потерь в ТЭД от одного управляющего воздействия - магнитного потока Ф; и двух режимных параметров - электромагнитного момента М и угловой скорости (О. Выведенные соотношения теоретически обосновывают алгоритм, реализация которого означает управление ТЭД по минимуму потерь.

Таким образом, численный анализ показывает, что уменьшение затрат мощности КЭУ на движение НВЗЭТ по типовым ездовым циклам составляет:

- 1,24 кВт за счет рациональной комбинации накопителей энергии в составе КЭУ, что соответствует 81,5 % увеличения запаса хода;

- 0,3 кВт за счет изменения способа управления током возбуждения ТЭД, что соответствует 18,5 % увеличения запаса хода.

Максимальное увеличение запаса хода достигается при 0,65 массовой доле ТАБ и 0,35 - ЕНЭ от общей массы бортовой энергоустановки.

Передаточное число трансмиссии оказывает существенное влияние на способность электротранспорта преодолевать суммарные сопротивления движению и, вследствие этого, оказывает влияние на многие технико-эксплуатационные показатели НВЗЭТ, в том числе на энергетическую экономичность.

При выборе передаточного числа любого транспортного средства необходимо учитывать как минимум два условия:

- транспортное средство должно достигать заданную максимальную скорость, установленную техническими требованиями;

транспортное средство должно преодолевать величину подъема, установленную техническим требованием.

В настоящее время известны следующие соотношения для расчета передаточного числа трансмиссии электротранспортных средств из условия: - достижения максимальной скорости на ровной горизонтальной дороге

Мь-Пт

иг:

(2)

- преодоления максимального подъема с минимально устоичивои скоростью

где О - вес транспортного средства, г„ - радиус качения колеса, / - коэффициент силы трения, Л/ао - момент на валу ТЭД, ц?- КПД трансмиссии, i = tga- величина преодолеваемого подъема, К„ - коэффициент аэродинамического сопротивления.

В первом случае электротранспорт будет развивать скорость, близкую к и^ , однако может потерять динамику разгона. Во втором - будет преодолевать заданный максимальный подъем, но максимальную скорость его движения необходимо будет скорректировать, поскольку она может оказаться ниже заданной.

Передаточное число трансмиссии также можно выразить как соотношение между угловыми скоростями вращения вала двигателя и колес:

«Т =»4./®, /У

(4)

где - угловая скорость вала двигателя; О, - угловая скорость колеса; V - линейная скорость транспортного средства; Тк - радиус качения колеса. Подставляя V согласно (4) в (2), получаем:

ф}г„ + вкуук =мыщи\ , или

МьпХ ~ СМг. ~ СКУУ, = 0 . (5)

Представив уравнение (5) в виде полинома ах3 + Ьхг + сх + с[= О , где а = Мдвт]т; Ь = -Ц/г(I = -СК„о>^г*; с = 0; х = ит, и упростив это выражение, введя

Ъ

вместо х новую переменную + получаем уравнение вида у1 + 3ру+2д = 0,

, 2 Ь1 Ьс (1 , 3ас-Ь1 „ ,

где 2^ = —г----+ —, 3р =--—. Применив для решения данного уравнения фор-

27 а За а За

мулу Кардана, получаем:

"г = У-9 + + V■ Ч-^Р + я' +

О/г,

(6)

ЗМъЧт

Результаты расчетов по формулам (2), (3) и (6), а также фактические передаточные числа трансмиссий некоторых электротранспортных средств сведены в табл. 8.

Отклонение значения передаточного числа трансмиссии при расчете по (6) от фактического не превышает 4 %, а при расчете по известным зависимостям максимальное отклонение составляет более 12 %.

Таблица %

Результаты расчета передаточного числа трансмиссии_

Модель транс-портного средства Расчетная величина 14? Фактическое ит

по формуле (2) знач/отклон, % по формуле (3) знач/отклон, % по формуле (6) знач/отклон, %

Пикап ВАЗ-2801э 8,6/0,7 7,6/12,2 8,69/0,3 8,66

Гольф-кар ВАЗ-1801э 7,7/9,2 7,6/10,4 8,76/3,3 8,478

Фургон ВАЗ-2702э 8,9/8,6 7,6/22 9,69/0,5 9,74

Нива ВАЗ-2131э 10,8/10,8 8,8/9,8 9,84/0,9 9,75

ОкаВАЗ-1111э 6,2/5,7 6,4/2,6 6,83/3,9 6,573

НВЗЭТ «Бронтокар» 12,9/3,8 11,7/5,8 12,75/2,6 12,425

Таким образом, предлагаемая в работе зависимость для расчета передаточного числа трансмиссии электротранспортных средств позволяет учитывать массо-габаритные показатели, конструктивные характеристики и эксплуатационные свойства электротранспортного средства уже на стадии проектирования.

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям НВЗЭТ в дорожных условиях и с помощью разработанной ОММ.

С помощью разработанной ОММ проведен численный эксперимент для исследования процессов энергопреобразования в тяговой системе НВЗЭТ для наиболее рационального варианта компоновки накопителей энергии различной физической природы. Моделирование проводилось при движении по разработанным ранее испытательным циклам. Для сравнения эффективности использования в составе КЭУ ТАБ и ЕНЭ интегральные данные были рассчитаны для различного состава бортовой энергоустановки (ТАБ с учетом и без учета рекуперации энергии при торможении и КЭУ в составе ТАБ и ЕНЭ с учетом рекуперации энергии при торможении).

Одним из самых важных интегральных технико-эксплуатационных показателей электротранспортного средства является запас хода без подзарядки бортовой энергоустановки, который представляет собой показатель комплексный, зависящий от большого количества факторов и отражает:

- целесообразность питания тягового электропривода автономного транспортного средства от бортовых накопителей энергии различной физической природы;

- их реальные удельные показатели при заданных режимах движения;

- степень оптимальности соотношения количества накопителей энергии в КЭУ, рациональность их взаимного подключения и очередности работы.

Анализируя полученные результаты можно судить о рациональности выбора для питания тягового электропривода НВЗЭТ электрохимической ТАБ и электростатического ЕНЭ, и соответствия эксплуатационных характеристик полученного электротранспортного средства требуемым для внутризаводских перевозок.

В рамкам заданных испытательных циклов установлено, что в настоящее время технические параметры ЕНЭ удовлетворительны для использования в качестве дополнительного накопителя энергии для НВЗЭТ, поскольку ЕНЭ в состоянии обеспечить как разгон НВЗЭТ, продлевая тем самым срок службы ТАБ, так и максимальную рекуперацию энергии при торможении НВЗЭТ.

По разработанной программе испытаний на Волжском автозаводе (г. Тольятти ОАО «АвтоВАЗ») были проведены экспериментальные исследования опытного образца НВЗЭТ с аналогичными численному эксперименту характеристиками.

Результаты испытаний и математического моделирования НВЗЭТ с помощью разработанной ОММ с анализом их погрешности систематизированы в табл. 9.

Таблица 9

Состав бортовой энергетической установки Интегральный параметр Значение параметра

для ездового цикла № 1 для ездового цикла № 2

теор эксп погр,% теор эксп погр,%

ТАБ без рекуперации энергии при торможении Количество ввтолненнвк циклов движения 603 667 9,63 351 363 3,31

Суммарное время в рейсе, ч 6,7 7,41 9,59 3,9 4,03 3,23

Запас хода, км 39,2 43,36 9,62 44,93 46,47 3,32

ТАБ с рекуперацией энергии при торможении Количество ввтолненнвк циклов движения 671 698 3,87 387 401 3,49

Суммарное время в рейсе, ч 7,46 7,46 3,89 4,3 4,46 3,58

Запас хода, км 43,62 45,37 3,86 49,54 51,39 3,6

КЭУ в составе ТАБ и ЕНЭс рекуперацией Количество в^1полненн^1х циклов движения 906 929 2,48 557 563 1,07

Суммарное время в рейсе, ч 10,07 10,32 2,42 6,19 6,26 1,12

Запас хода, км 58,89 60,38 2,46 71,30 70,98 0,45

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

- для бортовой энергоустановки, представленной только ТАБ, без учета рекуперации энергии при торможении относительная погрешность расчетов не превышает 10 %;

- для энергоустановки, представленной ТАБ, с учетом рекуперации энергии при торможении относительная погрешность расчетов не превышает 4 %;

- для КЭУ относительная погрешность расчетов не превышает 2,5 %;

- использование ЕНЭ в качестве буферного накопителя в составе КЭУ увеличивает запас хода НВЗЭТ и время, проведенное им в рейсе, не менее чем на 20 %;

- транспортное средство имеет удовлетворительные для выполнения внутризаводских перевозок показатели запаса хода и времени работы.

Высокая погрешность расчетов для однотипной бортовой энергоустановки обусловлена принятым в математической модели режимов движения допущением (разгон происходит с постоянным ускорением), значительно влияющим на режим токо-отдачи бортового накопителя энергии и существенной зависимостью энергоемкости аккумуляторной батареи от режима разряда.

Следует отметить, что введение режима буферирования энергии ЕНЭ обеспечивает практически стационарный режим работы ТАБ, что увеличивает ее срок службы и значительно (не менее 20 %) величину пробега и времени в рейсе НВЗЭТ.

Сопоставление расчетных характеристик с результатами испытаний позволяет утверждать, что разработанная в диссертационной работе ОММ адекватно отображает процессы энергопреобразования в тяговой системе НВЗЭТ.

Полученная величина запаса хода (не менее 40 км) подтверждает актуальность концепции разработки НВЗЭТ с КЭУ, включающей в себя ТАБ и ЕНЭ, а также адекватность разработанной математической модели НВЗЭТ.

В заключении представлены основные результаты диссертационной работы и рассмотрены возможные области их использования.

В ходе проведенных исследований установлено следующее: 1. Анализ современного состояния НВЗЭТ показал, что однотипные бортовые накопители энергии не могут обеспечить требуемые технико-эксплуатационные показатели. В диссертации выполнены исследования по созданию комбинированной

энергоустановки НВЗЭТ, включающей накопители энергии различной физической природы - ТАБ и ЕНЭ;

2. Обобщенная математическая модель, аналитически описывающая изменения вольт-амперных характеристик накопителей энергии аппроксимирующими выражениями, учитывающими влияние степени их заряженности и величин разрядных токов обеспечивает:

- моделирование бортовых накопителей энергии с различными вариациями составляющих величин токов и напряжений;

- учет рекуперации энергии при торможении и движении под уклон НВЗЭТ;

- учет совместной работы ТАБ и ЕНЭ в составе КЭУ НВЗЭТ;

- имитацию различных режимов движения НВЗЭТ;

- адекватное отображение реальных процессов в тяговой системе НВЗЭТ, что подтверждает сопоставление расчетных характеристик с результатами испытаний;

3. На основании статистической обработки реальных внутризаводских маршрутов были разработаны испытательные циклы для тестирования НВЗЭТ;

4. Предложенная методика статической оптимизации распределения масс накопителей в составе КЭУ позволяет увеличить запас хода НВЗЭТ от 20 % до 40 % для различных условий движения;

5. Предложенная методика расчета оптимального передаточного числа трансмиссии тягового электропривода позволяет уже на стадии проектирования учитывать при расчетах влияние массо-габаритных показателей, конструктивных характеристик и эксплуатационных свойств НВЗЭТ;

6. Полученные соотношения между входными и выходными величинами ТЭД, теоретически обосновывают алгоритм управления ТЭД в статических режимах работы по минимуму потерь энергии;

7. Предложенная методика снижения потерь при импульсном управлении минимизирует пульсационные потери в ТЭД и коммутационные потери в транзисторном регуляторе напряжения якорной цепи в функции заданной величины тока якоря с учетом реальной ВАХ накопителя энергии КЭУ НВЗЭТ в составе ТАБ и ЕНЭ;

8. Проведенные многовариантные расчетные исследования позволяют утверждать, что целесообразным является использование энергии ЕНЭ в составе КЭУ в случае преодоления пиковых нагрузок, например разгона транспортного средства, и для рекуперации энергии при торможении. Это позволяет увеличить пробег НВЗЭТ без подзарядки бортовой энергоустановки и увеличивает срок службы ТАБ в составе КЭУ за счет уменьшения глубины ее разряда;

9. Материалы диссертации были использованы при разработке новых перспективных моделей НВЗЭТ и в учебном процессе высших учебных заведений.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Пионтковская С. А., Гурьянов Д. И., Луценко В. Н. Тяговые электропривода переменной структуры / Наука, техника, образование г.Тольятти и Волжского региона. Межвуз.сб.науч.тр. Часть II // Тольятти: ТолПИ, 1999. С.132 -137.

2. Пионтковская С. А., Бойко В. В. Характеристики электротележки грузоподъемностью 2000 / Наука, техника, образование г.Тольятти и Волжского региона. Меж-вуз. сб. науч. тр. Часть II // Тольятти: ТолПИ, 2000. С. 381-384.

3. Алгоритмы управления тяговым электродвигателем по минимуму потерь / Пи-онтковская С. А., Гурьянов Д. И, Бойко В. В., Луценко В. Н. II Наука, техника, образование г.Тольятти и Волжского региона. Межвуз. сб. науч. тр. Часть II. Тольятти: ТолПИ, 2000. С. 385 - 389.

4. Автономные источники питания напольного внутризаводского электротранспорта / Пионтковская С. А., Гурьянов Д. И., Строганов В. Н., Романов А. К. II Наука производству, 2001, № 7. С. 29 - 32.

5. Накопители энергии для внутризаводского электротранспорта / Пионтковская С. А., Гурья-новД. И, Строганов В. Н, Романов А. К. //Машиностроитель, 2001,№7. С. 34-37.

6. Бортовые энергоустановки внутрицеховых транспортных средств / Пионтковская С. А., Гурьянов Д. И, Строганов В. Н, Бойко В. В. // Наука, техника, образование г.Тольятти и Волжского региона. Межвуз. сб. науч. тр. Выпуск 4; Часть II // Тольятти: ТолПИ, 2001. С. 414 - 421.

7. Пионтковская С. А., Гурьянов Д. И, Барановский В. Ф. Анализ режимов энергопреобразования в силовых агрегатах тягового электропривода внутрицехового транспортного средства при равномерном движении / Наука, техника, образование г.Тольятти и Волжского региона. Межвуз. сб. науч. тр. Выпуск 4; Часть II // Тольятти: ТолПИ, 2001. С. 421- 428.

8. Пионтковская С. А., Гурьянов Д. И, Барановский В. Ф. Исследование динамических режимов движения внутрицехового транспортного / Наука, техника, образование г. Тольятти и Волжского региона. Межвуз. сб. науч. тр. Выпуск 4; Часть II // Тольятти: ТолПИ, 2001. С. 428 - 434.

9. Пионтковская С. А. Испытательные циклы внутризаводского транспортного средства / М-лы всерос. науч.-техн. конф. «Современные тенденции развития автомобилестроения в России». Сборник трудов, Тольятти: ТГУ, 2003. С. 494 - 498.

10. Пионтковская С. А. Исследования динамических и энергетических характеристик внутризаводского транспортного средства / М-лы всерос. науч.-техн. конф. «Современные тенденции развития автомобилестроения в России». Сборник трудов, Тольятти: ТГУ, 2003. С. 623 - 627.

11. Пионтковская С. А., Гурьянов Д. И. Ездовые циклы внутризаводского автотранспортного средства // Грузовик, 2003 г., № 5, С. 26 - 29.

12. Пионтковская С.А. Уравнения характеристик аккумуляторных батарей «Объединенный научный журнал», 2003, № 29. С. 79 - 82.

13. Пионтковская С. А., Гурьянов Д. И., Петленко А.Б. Методика расчета передаточного числа трансмиссии электромобиля // Автотракторное электрооборудование, 2004, № 1-2. С. 22 - 24.

14. Пионтковская С. А., Гурьянов Д. И., Петленко А. Б. Анализ и синтез минимума потерь тяговых электроприводов постоянного тока // Автотракторное электрооборудование, 2004, № 3. С. 27 - 30.

15. Пионтковская С. А. Энергетические режимы внутризаводского транспортного средства// Автотракторное электрооборудование, 2004, № 3. С. 31-33.

Все основные положения диссертации разработаны автором лично.

Из 15 опубликованных научных работ 4 принадлежат лично автору, в работах,

написанных в соавторстве, автору принадлежат алгоритмы (3, 7), постановка задачи

и обработка результатов исследования (1, 2, 4-8), методики и расчетная часть (13, 14).

Разрешено к печати диссергашонньгл сонетом Д 212.217.U4 Почтою;' № 17 от 13 10 2004 г.

Заказ № 98. Формат 60x84 1,16. Ь_. ма: а тип. № 1. ! (счат ь офсетная. Уч.-и и. л 1.0. Тираж 100 экз.

Са\1ар1-мш государственный технический университет.

Типография СамГТУ. ' -

443100,1. Самара, Молологвардейская ул. 244 Г/лчый корпус.

Введение

Глава 1. Современное состояние и тенденции развития напольного внутризаводского электротранспорта

1.1. Анализ современного состояния напольного внутризаводского электротранспорта и тенденции развития его основных технико - эксплуатационных показателей

1.2. Проблемы построения и совершенствования системы энергообеспечения напольного внутризаводского электротранспорта

1.3. Тяговые системы напольного внутризаводского электротранспорта

1.4. Методы математического моделирования напольного внутризаводского электротранспорта

1.5. Цель и задачи исследования

Глава 2. Постановка задачи повышения энергоэффективности тяговой системы напольного внутризаводского электротранспорта

2.1. Режимы энергопреобразования в тяговой системе

2.2. Ограничения при оптимизации тяговой системы

2.3. Критерий оптимальности и управляющие параметры

2.4. Выводы

Глава 3. Математическое моделирование тяговой системы напольного внутризаводского электротранспорта с комбинированной энергоустановкой в составе тяговой аккумуляторной батареи и емкостного накопителя энергии

3.1. Математическое моделирование движения напольного внутризаводского электротранспорта по ездовых циклам ф 3.2. Математическое моделирование тяговых аккумуляторных батарей

3.3. Математическое моделирование емкостных накопителей энергии

3.4. Математическое моделирование тягового электропривода

3.5. Программная реализация обобщенной математической модели

3.6. Выводы

Глава 4. Статическая оптимизация распределения масс накопителей энергии в составе бортовой энергоустановки и суммарных потерь в тяговой системе

4.1. Статическая оптимизация распределения масс в комбинированной энергоустановке

4.2. Анализ и синтез минимума потерь в тяговой системе

4.3. Повышение энергоэффективности режимов импульсного регулирования тягового электропривода внутризаводского электротранспорта

4.4. Методика расчета оптимального передаточного числа трансмиссии внутризаводского электротранспорта

4.5. Выводы

Глава 5. Экспериментальные исследования напольного внутризаводского электротранспортного средства с помощью обобщенной математической модели и в дорожных условиях

5.1. Исследования совокупности взаимосвязей, процессов и закономерностей в напольном внутризаводском электротранспорте с помощью разработанного программного обеспечения

5.2. Лабараторно-дорожные испытания прототипа внутризаводского электротранспортного средства

5.3. Оценка адекватности математического моделирования по результатам лабараторно-дорожных испытаний и рекомендации по совершенствованию технико-эксплуатационных показателей напольного внутризаводского электротранспорта

5.4. Выводы

Актуальность темы. Работам по механизации и автоматизации транспортных операций, являющихся одними из самых трудоемких на производстве, уделяется большое внимание во всем мире. Практически весь подвижной состав напольного внутризаводского транспорта состоит из электромобильного, так как в отличие от автомобилей у электромобилей отсутствует выброс в окружающую среду токсичных газов, что позволяет им работать в закрытых помещениях (заводских цехах, трюмах кораблей, ж/д и автовокзалах, аэропортах и т.д.), не загрязняя воздуха. Вместе с тем, у электромобильного транспорта есть и свои недостатки. Прежде всего, это ограниченный пробег без подзарядки бортового источника энергии.

Анализ литературных источников показывает, что разработка и создание электротранспорта в основном сводится к совершенствованию бортовой энергоустановки, питающей тяговый электродвигатель. Поэтому, актуальной является проблема оптимизации параметров бортовой энергетической установки, в том числе совместным применением накопителей энергии различной физической природы в ее составе.

Таким образом, становится актуальной важная научно-техническая задача повышения энергоэффективности тяговой системы этого транспортного средства, решение которой существенно повысит эффективность использования ограниченного запаса энергии на борту, внося заметный вклад в производительность напольного внутризаводского электротранспорта.

В диссертации дополнена концепция системного подхода к оптимизации параметров напольного внутризаводского электротранспорта (НВЗЭТ), основанная на накопленных к настоящему времени исследованиях общих закономерностей энергопреобразования в системе тягового электропривода, а также различных накопителей энергии, применяемых в составе комбинированной энергетической установки (КЭУ).

Цель работы — повышение технико - эксплуатационных показателей напольного внутризаводского электротранспорта путем повышения энергоэффективности его тяговой системы на основе комплексных исследований взаимосвязей, процессов и закономерностей в нем.

Задачи исследований, обеспечивающие реализацию поставленной цели:

- анализ современного состояния и перспектив развития электромобилестроения и бортовых источников энергии;

- разработка обобщенной математической модели НВЗЭТ с КЭУ;

- установление совокупности взаимосвязей в НВЗЭТ с КЭУ и решить задачу повышения энергоэффективности тяговой системы НВЗЭТ;

- проведение комплексных исследований опытного образца внутризаводского электротранспортного средства в реальных условиях движения и с помощью обобщенной математической модели, выполнить сравнительный анализ интегральных расчетных и экспериментальных технико-эксплуатационных показателей при различных параметрах движения и разработать рекомендации по их улучшению для этого класса электротранспортных средств.

Методика проведения исследований. Аналитические исследования взаимосвязей, процессов и закономерностей в тяговой системе напольного внутризаводского электротранспорта осуществлены графоаналитическим методом с использованием основных положений теории автомобиля, тягового электропривода и методов математического моделирования. Выявленные количественные взаимосвязи между параметрами исследуемых накопителей энергии и тягового электропривода представлены в аналитическом виде и графической интерпретацией. Результаты и выводы работы теоретически обоснованы и подтверждены расчетами и экспериментами.

Основные положения выносимые на защиту:

- методика статической оптимизации распределения масс в КЭУ внутризаводского электротранспорта, включающей в себя тяговую аккумуляторную батарею (ТАБ) и емкостной накопитель энергии (ЕНЭ);

- методика расчета оптимального передаточного числа трансмиссии тягового электропривода, позволяющая уже на стадии проектирования учитывать при расчетах влияние массо-габаритных показателей, конструктивных характеристик и эксплуатационных свойств внутризаводского электротранспорта;

- аналитическая зависимость суммарных потерь в тяговой системе внутризаводского электротранспорта при смешанном управлении двигателем постоянного тока с независимым возбуждением;

- методика повышения энергоэффективности импульсного управления тяговым электродвигателем путем минимизации пульсационных и коммутационных потерь для НВЗЭТ с КЭУ в составе ТАБ и ЕНЭ;

- результаты аналитических, расчетных и экспериментальных исследований КЭУ НВЗЭТ в составе ТАБ и ЕНЭ.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

- предложена методика статической оптимизации распределения масс ТАБ и ЕНЭ в составе комбинированной бортовой энергоустановки с учетом их разрядных и вольт-амперных характеристик;

- предложена методика расчета оптимального передаточного числа трансмиссии тягового электропривода, позволяющая уже на стадии проектирования учитывать при расчетах влияние массо-габаритных показателей, конструктивных характеристик и эксплуатационных свойств НВЗЭТ;

- предложена методика статической оптимизации суммарных потерь в тяговой системе при смешанном управлении двигателем постоянного тока с независимым возбуждением, в том числе при импульсном управлении путем минимизации пульсационных и коммутационных потерь для НВЗЭТ с КЭУ в составе ТАБ и ЕНЭ с учетом их разрядных и вольт-амперных характеристик.

Практическая значимость:

- разработаны типовые испытательные циклы для тестирования НВЗЭТ с учетом статистики транспортных операций;

- уточненная обобщенная математическая модель НВЗЭТ была использована в учебном процессе высших учебных заведений;

- проведенные исследования потребительских и эксплуатационных свойств

НВЗЭТ с КЭУ в составе ТАБ и ЕНЭ, подтвердили целесообразность и необ7 ходимость его разработки, как удовлетворяющего основным эксплуатационным характеристикам внутризаводских транспортных средств.

Реализация результатов. Полученные результаты теоретических исследований и расчетов использованы при разработке новых перспективных моделей НВЗЭТ, например, при разработке внутризаводского транспортного средства на Волжском автозаводе в г. Тольятти и при его испытаниях, а также при подготовке инженеров по специальности 180800 «Автотракторное электрооборудование» в качестве учебных пособий по курсовому и дипломному проектированию в Тольяттинском государственном университете и в Московском государственном техническом университете «МАМИ».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены, дополнены и одобрены на всероссийской научно-технической конференции 22 - 23 мая 2003 года «Современные тенденции развития автомобилестроения в России».

Публикации. Список научных трудов по диссертационной работе составляет 15 наименований.

Структура и объем диссертации. Результаты изложены на 169 страницах машинописного текста, иллюстрированного 34 таблицами и 37 рисунками.

Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами по каждой главе, заключения, списка использованной литературы, списка публикаций автора по теме диссертации и приложения.

5.4 Выводы.

1. С помощью разработанной обобщенной математической модели проведен численный эксперимент для исследования процессов энергопреобразования в тяговой системе НВЗЭТ и представлены результаты расчетов для наиболее рационального варианта компоновки накопителей энергии различной физической природы.

2. В рамках заданных испытательных циклов установлено, что емкостной накопитель энергии в состоянии обеспечить как разгон внутризаводского электротранспортного средства, продлевая тем самым срок службы тяговой аккумуляторной батареи, так и максимальную рекуперацию энергии при торможении транспортного средства.

3. Проведенные исследования потребительских и эксплуатационных свойств напольного внутризаводского электротранспорта с комбинированной энергоустановкой, включающей в себя тяговую аккумуляторную батарею и емкостной накопитель энергии, подтвердили целесообразность и необходимость его разработки, как удовлетворяющего эксплуатационным характеристикам внутризаводских транспортных средств.

4. По разработанной программе проведения испытаний на Волжском автозаводе (г. Тольятти ОАО «АвтоВАЗ») были проведены экспериментальные исследования опытного образца НВЗЭТ с бортовой энергоустановкой, представленной в различном составе: однотипной, включающей в себя ТАБ, и комбинированной, включающей в себя ТАБ и ЕНЭ.

5. Анализ сходимости проведенных лабараторно-дорожных испытаний и расчетных исследований с помощью разработанной обобщенной математической модели НВЗЭТ показывает, что относительная погрешность расчетов не превышает 10%. Это подтверждает адекватность разработанной обобщенной математической модели НВЗЭТ с КЭУ, в составе ТАБ и ЕНЭ.

6. Введение режима буферирования энергии емкостным накопителем обеспечивает практически стационарный режим работы ТАБ, что увеличивает ее срок службы и значительно (не менее чем на 20 %) величину пробега и времени в рейсе внутризаводского электротранспортного средства.

7. Полученная величина запаса хода напольного внутризаводского электротранспортного средства (не менее 40 км) подтверждает актуальность концепции разработки напольного внутризаводского электротранспорта с комбинированной энергоустановкой, включающей в себя тяговую аккумуляторную батарею и емкостной накопитель энергии.

Заключение

В ходе проведенных исследований установлено следующее:

1. Анализ современного состояния НВЗЭТ показал, что однотипные бортовые накопители энергии не могут обеспечить требуемые технико-эксплуатационные показатели. В диссертации выполнены исследования по созданию комбинированной энергоустановки для напольного внутризаводского электротранспорта, включающей накопители энергии различной физической природы - ТАБ и ЕНЭ;

2. Обобщенная математическая модель аналитически описывающая изменения вольт-амперных характеристик накопителей энергии аппроксимирующими выражениями, учитывающими влияние степени их заряжености и величин разрядных токов обеспечивает:

- моделирование бортовых накопителей энергии с различными вариациями составляющих величин токов и напряжений;

- учет рекуперации энергии при торможении и движении под уклон внутризаводского электротранспорта;

- учет совместной работы ТАБ и ЕНЭ в составе КЭУ НВЗЭТ;

- имитацию различных режимов движения НВЗЭТ;

- адекватное отображение реальных процессов в системе тягового электропривода НВЗЭТ, что подтверждает сопоставление расчетных характеристик с результатами испытаний;

3. На основании статистической обработки реальных внутризаводских маршрутов были разработаны типовые испытательные циклы для тестирования НВЗЭТ;

4. Предложенная методика статической оптимизации распределения масс накопителей в составе КЭУ позволяет увеличить запас хода НВЗЭТ от 20 % до 40 % для различных условий движения;

5. Предложенная методика расчета оптимального передаточного числа трансмиссии НВЗЭТ позволяет уже на стадии проектирования учитывать при расчетах влияние массо-габаритных показателей, конструктивных характеристик и эксплуатационных свойств электротранспорта;

6. Полученные соотношения между входными и выходными величинами ТЭД, теоретически обосновывают алгоритм управления ТЭД в статических режимах работы по минимуму потерь энергии;

7. Предложенная методика снижения потерь при импульсном управлении минимизирует пульсационные потери в тяговом электродвигателе и коммутационные потери в транзисторном регуляторе напряжения якорной цепи в функции заданной величины тока якоря с учетом реальной ВАХ накопителя энергии КЭУ НВЗЭТ в составе ТАБ и ЕНЭ;

8. Проведенные многовариантные расчетные исследования позволяют утверждать, что целесообразным является использование энергии емкостного накопителя в составе комбинированной энергоустановки в случае преодоления пиковых нагрузок, например разгона транспортного средства, и для рекуперации энергии при торможении. Это позволяет увеличить пробег напольного внутризаводского электротранспорта без подзарядки бортовой энергоустановки и увеличивает срок службы тяговой аккумуляторной батареи в составе комбинированной энергоустановки за счет уменьшения глубины ее разряда;

9. Материалы диссертации были использованы при разработке новых перспективных моделей напольного внутризаводского электротранспорта и в учебном процессе высших учебных заведений.

1. Эйдинов A.A. Электромобили. Учебное пособие. - М.: МАМИ, 1997, с. 80.

2. Лидоренко Н.С., Мучник Г.Ф., Бортников Ю.С., Иванов A.M., Постаногов В.П. Электромобили. -М.: ВНТИЦентр, 1984.

3. Ставров O.A. Электромобили. -М.: ВИНТинформации, 1976.

4. Эйдинов A.A. Развитие систем автомобильной электротехники. М.: НАМИ, 1995.

5. Эйдинов А.А.Дижур М.М.Направления развития тяговых источников тока для электромобилей. — М.: НИИНавтопром,1985,с.46.

6. Электромобиль: техника и экономика. Щетина В.А., Морговский Ю.А., Центе Б.И., Богомазов В.А. Под общ. ред. Щетины В.А. -Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1987, с. 253.

7. Накопители энергии. Бут Д.А., Алиевский Б.П., Мизюрин С.Р., Васюкевич П.В. М.: Энергоатомиздат, 1991, с.400.

8. Быстрозарядные тяговые и стартерные батареи сверхемких конденсаторов. Новые экологически чистые источники энергии. Проспект фирмы ЭСМА. -Москва, 1996.

9. Исследование тяговых систем автотранспортных средств с бортовыми источниками энергии различной физической природы. Отчет ОНИР // Петленко Б.И., Листвинский М.С. и др. / М.: МАМИ, 1993, №5 г.р. 114900.

10. Дижур М.М, Эйдинов A.A., Расчетные исследования возможностей тяговых источников тока для электромобилей. // Совершенствование технико-экономических показателей автомобильной техники / Сб. научн. тр. М.: НАМИ 1996, с. 50-58.

11. Гурьянов Д.И., Воротников П.В., Петленко А.Б., Фомин A.B. К построению тяговых систем электромобилей // Развитие автомобильной электроники и электрооборудования / Материалы четвертого симпозиума-М: НИИАЭ1993, с. 81-82.

12. Докучаев С.В., Луганский К.П., Петленко А.Б., Тауфик Аль-Масуд, Тенденции развития напольного внутрицехового транспорта // Электротехнические системы транспортных средств и их роботизированных производств / Сб. научн. тр. М.: МАМИ 1995, с. 33-38.

13. Будник B.C., Свириденко Н.Ф. и др. Инерционные механические аккумулирующие системы Киев, «Наумова думка», 1986, 176с.

14. Джента Накопление кинетической энергии — М.: Мир, 1988, 428с.

15. Морговский Ю.Я., Березин A.B., Салахов М.Х. Электродвигатели для автомобилей ВАЗ // Автомобильная промышленность, 1984, №1, с. 9-11.

16. Теория и расчет тягового привода электромобилей / Под ред. И.С. Ефремова. -М.: Высшая школа, 1984, 383 с.

17. Бауманис В.Я., Ранькис И.Я., Хромушкин Г.М. Определение экономии энергии при импульсном регулировании скорости машин напольногоэлектротранспорта // ЭТП. Сер. Тяговое и подъемно-транспортное электрооборудование, 1975, Вып.4 (37), с. 12-14.

18. Кардонов Г.А. Определение мощности дополнительных потерь в двигателе постоянного тока при питании прямоугольными импульсами переменной частоты и скважности // Сб. научн. тр. аспирантов. Л.: ЛИТМО, 1972, с. 83-87.

19. Некрасов В.И., Гаврилов В.Н. Выбор метода импульсного регулирования электромобиля // Электротехника, 1976, № 8, с. 10-12.

20. Привод электромобиля на базе преобразователя постоянного тока / Булатов О.Г., Лабунцов В.А., Поляков В.Д., Царенко А.И. // Электротехника, 1981, №3, с. 56-59.

21. Иньков Ю.М. Статические преобразователи тяговых электроприводов // Силовая полупроводниковая техника и ее применение в народном хозяйстве. — М.: Информэлектро, 1985, с. 7-9.

22. Гурьянов Д.И. Импульсное регулирование индивидуальных электроприводов колес постоянного тока по минимуму потерь // Автотракторное электрооборудование, 2002, № 5-6, с. 18 22.

23. Вершигора В.А., Шидловский А.К. Опыт разработки и перспективы использования полупроводниковых преобразователей и систем управления электромобилей ВАЗ. Киев, 1983, с. 17.

24. Тройнин М.Ф., Ушаков Н.С. Электрические самоходные машины напольного транспорта. Л.: Машиностроение, 1984.

25. Закин Я.Х. Маневренность автомобиля и автопоезда. М.: Транспорт, 1986.

26. Глазенко Т. А. Полупроводниковые преобразователи в электроприводах постоянного тока. Л.: Энергия, 1973.

27. Брауде В.И., Тер-Мхитаров М.С. Системные методы расчета грузоподъемных машин. Л.: Машиностроение, 1985.

28. Гришкевич А.И. Автомобили. Теория. Минск: Вышэйш. шк., 1986.

29. Устинов П. И. Стационарные аккумуляторные установки. -М: Энергия, 1970.

30. Находкин М. Д., Василенко Г.В., Бочаров В.И., Козорезов М.А. Проектирование тяговых электрических машин. М.: 1976.

31. Электрические машины в тяговом автономном электроприводе // Под ред. А.П. Пролыгина . М.: 1979.

32. Петров JI. П. Управление пуском и торможением двигателей. М.: Энергоиздат: 1981.

33. Электрический справочник. Использование электрической энергии / Под ред. В. Г. Герасинмова, П. Г. Грудинского, JI. А. Жукова и др. — М.: Энергоиздат: 1982. -560с.

34. Гурьянов Д И. Исследование характеристик проектируемых электромобилей методами имитационного моделирования. //Сит: Повышение эффективности проектирования и испытаний автомобиля. Горький: ГГУ, 1984. С. 8-10.

35. Шумик С. В. Основы технической эксплуатации автомобилей. Минск: Вышедшая школа: 1981.

36. Гурьянов Д. И, Листвинский М. С. и др. Математическое моделирование динамики работы тяговых аккумуляторных батарей // Электротехнические системы автотранспортных средств и их роботизированных производств / Сб. научн. тр. М.: МАМИ. 1995.

37. Нгуен Куанг Тхиеу. Городской солнцемобиль. Дисс. На с. уч. ст. канд. тех. наук-М.: МАМИ, 2000.

38. Илларионов В. А. Эксплуатационные свойства автомобиля. — М.: Машиностроение, 1966.

39. Пугачев Е.В., Вавиловский В.И. Характеристики тяговой аккумуляторной батареи как объекта автоматического управления // Электричество, 1984, № 11.

40. Розеншток Б.Я., Пугачев Е.В., Козелков JI.B. Динамическая модель аккумуляторного источника питания как объекта автоматического управления // Электротехника. -1989. № 9.

41. Романов В.В., Хашев Ю.М. Химические источники тока. М.: Советское радио, 1978.

42. Токарев А.Б., Жирнова Н.Б. Энергетические статические математические модели химических источников тока // Электротехника, 1990, № 6.

43. Токарев А.Б., Жирнова Н.Б., Ларюхин Б.В. Методика выбора параметров источников энергии систем электропитания // Электротехника, -1987. № 4.

44. Кукоз Ф.И., Гончаров В.И., Любиев О.Н., Якубовский В .Я. Математическая модель свинцового аккумулятора // Известия Северо-Кавказского научного центра высшей школы. Сер. Химическая технология, 1974. Вып. 4.

45. Петленко Б. И., Гурьянов Д. И., Карпезо А. И. Исследование динамики автономного электропривода// Электромеханические системы с компьютерным управлениям на автотранспортных средствах и в их роботизированном производстве. М.: МАМИ, 1993.

46. Козловский А.Б., Яковлев А.И. Испытательные циклы электромобиля // Автомобильная промышленность, 1983 г., № 2.

47. Козловский А.Б., Яковлев А.И. Метод теоретической оценки технико-эксплуатационных параметров автомобилей // Автомобильная промышленность, 1979 г., № 1.

48. Башарин A.B., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами.-Л.: Энергоиздат, 1982.

49. Гурьянов Д. И. Импульсное регулирование индивидуальных электроприводов колес постоянного тока по минимуму потерь // Автотракторное электрооборудование, 2002 г., № 5-6.

50. ГОСТ 29249-2001. Транспорт напольный безрельсовый. Защитные навесы. Технические характеристики и методы испытаний.

51. ГОСТ Р 51347-99. Транспорт напольный безрельсовый. Погрузчики и штабелеры, работающие с наклоненным вперед грузоподъемником. Дополнительные испытания на устойчивость.

52. ГОСТ Р 51348-99. Транспорт напольный безрельсовый. Системы тормозные. Технические требования.

53. ГОСТ Р 51349-99. Транспорт напольный безрельсовый. Плиты грузовые, вилы. Технические условия.

54. ГОСТ Р 51354-99. Транспорт напольный безрельсовый. Требования безопасности. .

55. ГОСТ 21624-81. Система технического обслуживания и ремонтаавтомобильной техники. Требования к эксплуатационной технологичности и ремонтопригодности изделий.

56. ГОСТ 21758-81. Система технического обслуживания и ремонта автомобильной техники. Методы определения показателей эксплуатационной технологичности и ремонтопригодности при испытаниях.

57. ГОСТ 22576-90. Автотранспортные средства. Скоростные свойства. Методы испытаний.

58. ГОСТ 24282-97. Машины напольного безрельсового электрифицированного транспорта. Методы испытаний.

59. ГОСТ 15.101-98. Система разработки и постановки продукции на производство. Порядок выполнения научно-исследовательских работ.

60. ГОСТ 22748-77. Автотранспортные средства. Номенклатура наружных размеров. Методы измерений.

61. Peukert W. Uber Abhangingkeit der kapazitet van der Eutledestrastarke bei Bleiakkunzelatoron // Electrotechn: Z. 1897. №.20. P. 47-54.

62. Логачев B.H. Электропривод электромобиля с комбинированной энергоустановкой и его эффективность. Дисс. на соискуч.ст. канд. тех. наук — М.: 1987.

63. Гурьянов Д.И. Оптимизация управления электромобилями малой грузоподъемности с приводами постоянного тока. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. тех. наук-М.: МАДИ, 1992.

64. Фрумкин А. Н. Потенциалы нулевого заряда. М.: Наука, 1979. 260 с.

65. Chmielewski J. Compumer-aided aisign of an electric design, 1985, vol 6, № 4/5, p.551-555.

66. Доржинкевич Н.Б. Особенности проектирования электрооборудования электромобиля. — Электротехника, 1981, №10, с. 19-23.

67. Гурьянов Д. И. Общие уравнения движения электромобиля // Автотракторное электрооборудование, 2004 г., № 7.

68. Ефремов И.С., Гурьянов Д.И., Павлов H.A. Построение систем управления электромобилем по критерию минимума потерь// Пятая всесоюз. конф. по управлению в механических системах. Тез. докл. — Казань: КАИ, 1985 — с. 10.

69. Ефремов И.С., Трахтман Л.М. Тяговые электроприводы электроподвижного состава и пути их усовершенствования/ /Электротехника. — 1981. №3. — с.2-5.

70. Справочник по автоматизированному электроприводу. — М.: Энергоатомиздат, 1983. 616 с.

71. Миллер Е.В. Основы теории электропривода. М.: Высш.шк, 1968. 408 с.

72. Морговский Ю. Я., Чеховой Ю. Н. Статическая оптимизация автономного электропривода постоянного тока с частотно-широтным импульсным управлением // Автоматика. 1980. - № 1. С. 67-78 (ИК АН УССР).

73. Список публикаций автора по теме диссертации

74. Пионтковская С. А., Гурьянов Д. И., Луценко В. Н. Тяговые электропривода переменной структуры / Наука, техника, образование г.Тольятти и Волжского региона. Межвуз. сб. науч. тр. Часть II // Тольятти: ТолПИ, 1999. С. 132-137.

75. Пионтковская С. А., Бойко В. В. Характеристики электротележки грузоподъемностью 2000 / Наука, техника, образование г.Тольятти и Волжского региона. Межвуз. сб. науч. тр. Часть II // Тольятти: ТолПИ, 2000. С. 381-384.

76. Автономные источники питания напольного внутризаводского электротранспорта / Пионтковская С. А., Гурьянов Д. И., Строганов В. Н., Романов А. К. // Наука производству, 2001, № 7. С. 29-32.

77. Накопители энергии для внутризаводского электротранспорта / Пионтковская С. А., Гурьянов Д. И., Строганов В. Н., Романов А. К. // Машиностроитель, 2001, № 7. С. 34-37.

78. Пионтковская С. А., Гурьянов Д. И., Барановский В. Ф. Исследование динамических режимов движения внутрицехового транспортного средства /153

79. Наука, техника, образование г. Тольятти и Волжского региона. Межвуз. сб. науч. тр. Выпуск 4; Часть II // Тольятти: ТолПИ, 2001. С. 428 434.

80. Пионтковская С. А. Испытательные циклы внутризаводского транспортного средства / М-лы всерос. науч.-техн. конф. «Современные тенденции развития автомобилестроения в России». Сборник трудов, Тольятти: ТолГУ, 2003. С. 494 498.

81. Пионтковская С. А., Гурьянов Д. И. Ездовые циклы внутризаводского автотранспортного средства // Грузовик, 2003 г., № 5, С. 26 29.

82. Пионтковская С.А. Уравнения характеристик аккумуляторных батарей // «Объединенный научный журнал», 2003, № 29. С. 79-82.

83. Пионтковская С. А., Гурьянов Д. И., Петленко А. Б. Методика расчета передаточного числа трансмиссии электромобиля // Автотракторное электрооборудование, 2004, № 1-2. С. 22-24.

84. Пионтковская С. А., Гурьянов Д. И., Петленко А. Б. Анализ и синтез минимума потерь тяговых электроприводов постоянного тока // Автотракторное электрооборудование, 2004, № 3. С. 27-30.

85. Пионтковская С. А. Энергетические режимы внутризаводского транспортного средства // Автотракторное электрооборудование, 2004, № 3. С. 31-33.