автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Разработка электротехнологии и преобразователя электроэнергии для регенеративного заряда аккумуляторов мобильной сельскохозяйственной техники

На правах рукописи

Тюхтин Константин Иванович

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ РЕГЕНЕРАТИВНОГО ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРОВ МОБИЛЬНОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ

ТЕХНИКИ

Специальность: 05.20.02. - Электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

4840340

1 7 ШР 7011

Москва 2011

4840340

Работа выполнена на кафедре "Информационные и электротехнические системы и технологии" Российского государственного аграрного заочного университета (РГАЗУ).

Научный руководитель:

Заслуженный работник Высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Шичков Л.П.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, ст. науч. сотрудник Копылов С.И.,

кандидат технических наук, ст. науч. сотрудник Коршунов Б.П.

Ведущая организация: Московский государственный агроинженер-

ный университет им. В.П.Горячкнна

Защита состоится 2011 г. в часов на заседании

специализированного совета Д 220.656.03 Российского государственного аграрного заочного университета по адресу: 143900, Московская область, г. Балашиха, ул. Ю. Фучика, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГАЗУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, направлять по адресу: 143900, Московская область, г. Балашиха, ул. Ю. Фучика, д. 1, ученый совет.

Автореферат разослан

¿реЛосы^шх г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ^

кандидат технических наук ^Ц^^^У О.П. Мохова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Электрохимические аккумуляторы нашли широкое применение практически во всех бортовых системах мобильной сельскохозяйственной техники в качестве автономных источников электрической энергии. Основными достоинствами химических аккумуляторов (АК) помимо способности многократного повторного заряда после разряда, являются достаточно высокие удельные энергетические показатели при ■ возможности агрегатиро-ваться в аккумуляторные батареи (АКБ) для получения требуемых значений токов и напряжений при работе на нагрузку. Мобильные транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), которые широко используются в сельскохозяйственном производстве, имеют в составе используемого бортового электрооборудования соответствующие АКБ для обеспечения стартерного пуска ДВС и резервного энергообеспечения при неработающем двигателе. Всё шире АКБ используют в качестве основной энергосиловой установки электрокар и электромобилей, электропогрузчиков и др., которые находят всё более широкое применение не только в качестве внутрицехового или складского транспорта, но и в целом как наиболее экологически чистый и удобный в использовании транспорт. Процессы, происходящие в химических аккумуляторах, взаимно обратимы. Так активные вещества электродов после цикла "ЗАРЯД - РАЗРЯД" должны иметь в идеале тот же состав и тоже количество, что и до начала цикла. В процессе же хранения и при эксплуатации первоначальные свойства АКБ понижаются и для восстановления свойств и продления срока службы батарея должна подвергаться регенеративному заряду. Для этого в стационарных условиях необходимо проводить определённые режимы заряда и разряда АКБ, невыполнение или несоблюдение которых ведёт к преждевременному выходу аккумуляторов из строя, а, с учётом широчайшего их использования, в целом - к значительным ущербам. Например, удельная стоимость одного ватт-часа стартерного свинцово-кислотного (СК) аккумулятора мобильных машин с ДВС в зависимости от исполнения составляет на настоящий период (3...5) руб./(Вт-ч). Для тяговых СК аккумуляторов этот показатель соответственно составляет (2...4) руб./(Вт-ч). Для других типов химических аккумуляторов эти стоимостные показатели ещё выше. Поэтому продление срока эксплуатации аккумуляторов мобильных средств сельскохозяйственной техники путём эффективного регенеративного заряда, является аюуальной задачей не только по экономическим соображениям, а и по повышению экологической безопасности окружающей среды.

Объект исследования. Электротехнология с использованием автоматизированного преобразователя электроэнергии для осуществления регенеративного заряда аккумуляторов мобильной сельскохозяйственной техники.

Методы исследования. Теоретическо-экспериментальные.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является разработка электротехнологии и обоснование параметров и схемотехники преобразова-

теля электроэнергии для осуществления автоматизированного регенеративного

заряда аккумуляторов мобильной сельскохозяйственной техники.

В связи с этим решались следующие основные задачи:

1. Выполнить анализ технологий заряда и заряда-разряда аккумуляторов в службах сельского хозяйства.

2. Разработать математическую модель и обосновать параметры схемы замещения аккумулятора как нагрузки с противо-ЭДС.

3. На основании математической модели и схемы замещения аккумулятора обосновать электротехнологию и требования к средству регенеративного заряда АКБ.

4. Разработать схемотехническое решение и дать методику расчёта параметров элементов энергетических цепей зарядно-разрядного преобразователя.

5. Предложить алгоритм программного управления зарядно-разрядным преобразователем и осуществить его автоматизацию с выбором соответствующих аппаратных и программных средств.

6. Провести цикл экспериментальных исследований для апробации эффективных технологических режимов.

7. Дать технико-экономическую оценку эффективности разработанной электротехнологии регенеративного заряда аккумуляторов с учетом апробации разработки в производственных условиях.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Классификация электротехнологий и средств заряда АКБ мобильной сельскохозяйственной техники.

2. Математическая модель аккумулятора при импульсном регенеративном заряде.

3. Электротехнология и требования к средству регенеративного заряда АКБ.

4. Схемотехническое выполнение зарядно-разрядного преобразователя (ЗРП) для регенеративного заряда АКБ импульсным питанием.

5. Методика расчёта параметров элементов энергетических цепей ЗРП.

6. Алгоритм и программное обеспечение автоматизированного управления ЗРП для регенеративного заряда АКБ.

7. Результаты экспериментальной и производственной апробации электротехнологии регенеративного заряда АКБ от ЗРП и оценка экономической эффективности разработки.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• классифицированы возможные электротехнологии регенеративного заряда АКБ мобильной сельскохозяйственной техники;

• разработана математическая модель процессов заряда и разряда ёмкости двойного электрического слоя (ДЭС);

• обоснованы схема замещения и параметры аккумуляторной нагрузки при регенеративном заряде АКБ импульсным током;

• обоснован выбор эффективных частот и скважностей импульсов регенеративного заряда АКБ в зависимости от её исходного состояния;

4

• разработаны автоматизированный зарядно-разрядный преобразователь и электротехнология регенеративного заряда АКБ импульсным током, защищенные патентами на изобретения.

Практическая ценность работы. Спроектирован, создан и проверен на практике автоматизированный ЗРП и с его использованием реализована эффективная электротехнология регенеративного заряда АКБ импульсным током, подтверждённые патентами №46368 РФ, №59337 РФ и № 2309509 РФ.

Реализация результатов исследования. В период с 2005 - 2011 гг. по мере выполнения работы её результаты докладывались и получили одобрение на различных научных и научно-практических конференциях, совещаниях и семинарах различных организаций. На основе полученных результатов реализована электротехнология регенеративного заряда АКБ импульсным током, внедрённая на ряде предприятий, что подтверждается актами внедрения.

Достоверность полученных результатов подтверждена данными экспериментальных лабораторных и производственных испытаний, опытной эксплуатацией ЗРП и практической реализацией разработанной электротехнологии регенеративного заряда АКБ, а также сопоставлением расчётных и опытных данных.

Апробация работы. Основные результаты исследования рассматривались и получили одобрение на ежегодных научных и научно-практических конференциях, совещаниях и семинарах различных организаций, в том числе РГАЗУ (Балашиха, 2008-2011гг.), ВИЭСХ (Москва, 2008 г), MKT-Групп (Москва, 2005-2010 гг.).

Публикаини. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе в 3-х описаниях к патентам и в 3-х научных статьях в журналах, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 119 наименований и приложения. Основной материал диссертации изложен на 131 страницах машинописного текста, вспомогательный в виде приложения - на 74 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ содержит обоснование актуальности темы диссертации. Отмечено, что значительный вклад в исследования по разработке средств и электротехнологий эффективного заряда аккумуляторов внесли учёные: Бородин И.Ф., Бухаров А.И., Емельянов И.А., Здрок А.Г., Зорохович А.Е., Людин В.Б., Северный А.Э., Фурсов А.П., Шичков Л.П. и другие.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ проведён анализ структуры парка АКБ мобильной сельскохозяйственной техники и дана классификация электротехнологических способов их заряда и электрической регенерации. Проанализированы и сопоставлены способы и технические средства заряда и электрической регенерации аккумуляторов. Формулируются цель исследования и решаемые задачи.

На рис.1 представлена применяемость и сравнительная характеристика различных типов химических аккумуляторов в бортовых системах мобильной техники сельскохозяйственного производства.

Рис.1. Применяемость по энергонасыщенности различных типов АК (а) и сравнительная характеристика СК аккумуляторов (б).

В среднем по энергонасыщенности в А-ч СК аккумуляторы составляют 85%, НЖ - 10% и НК -5%. Ёмкости стартерных АКБ, используемых в составе автомобильного, тракторного и комбайнового электрооборудования, находятся в диапазоне от 45 до 240 А-ч при напряжениях от 6 до 24 В. Емкости тяговых АКБ, предназначенных для энергообеспечения мобильных транспортных и подъёмно-транспортных средств, как правило, от 165 до 600 А-ч при напряжениях от 24 до 80 В. Сезонный характер эксплуатации сельскохозяйственной техники, при котором периоды эксплуатации АКБ чередуются с длительными периодами её хранения, систематический недозаряд или перезаряд, а также саморазряд при хранении ведут к снижению активной поверхности пластин АКБ и загрязнению электролита. В результате, существенно сокращается ёмкость АКБ, увеличивается её внутреннее сопротивление, ведущие к снижению значения и продолжительности тока нагрузки батареи, и по этим причинам батарея преждевременно снимается с эксплуатации. Основным традиционным способом восстановления работоспособности и продления срока службы АКБ является постановка батареи на контрольно-тренировочный цикл (КТЦ), при котором она непрерывно подвергается периодическим длительным циклам заряда и разряда. До этого АКБ тестируется по определению её основных исходных параметров: целостность конструктивных элементов, степень разряженности, чистота и плотность электролита, остаточная ЭДС, начальное внутреннее сопротивление, нагрузочная способность. На основании тестирования устанавливается возможность регенерации АКБ. В настоящее время можно выделить пять общепризнанных способов заряда АКБ: при постоянной силе тока (гальваностатический), при постоянном напряжении (потенциостатический), ускоренный по экспоненциальному закону, ступенчатый по экспоненциальному закону, комбинированный (гальваностатический и потенциостатический), рис.2.

Емкость АКБ в течение времени г заряда изменяется по следующей зависимости:

ПРИМЕНЯЕМОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ АККУМУЛЯТОРОВ В МОБИЛЬНОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКЕ

,_1_. | СВИНЦОВО -КИСЛОТНЫЕ (СК). 85*1

НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЕ (НЖ).10%

НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ (НК).П |

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СК АККУМУЛЯТОРОВ

ВидАК Стационарны! Тяговый Стзртериьи

Удельная энергия, (8т*ч)Лг 8-12 20-28 28-40

Ресурс, циклы «Заряд Разряд» - 1000-1500 250-600

Срок службы нормативны*, пет 10-20 *-6 2-3

03=0о+Чэ-1,-*=0о+Ъ-1у-01-*, о)

где 1з ~ ток заряда, А; 1У - удельный ток заряда, А/(А-ч); Оо, <2н - остаточная и номинальная емкости АКБ, А-ч; т]3 - коэффициент отдачи АКБ по ёмкости. При традиционном гальваностатическом способе заряда рекомендуется выбирать ток заряда для СК АКБ исходя из удельного тока 0,05-0,1 А/(А-ч), а для НК и НЖ АКБ - 0,4 А/(А-ч).

Рис.2. Зависимости напряжения Уз и тока ¡з заряда аккумуляторов при типовых способах их заряда: а) — при неизменном токе (гальваностатический заряд); б) - при неизменном напряжении (потенциостатический заряд); в) -ускоренный заряд по экспоненциальному закону; г) - ускоренный заряд по экспоненциальном}' закону и ступенчатом изменении тока; д) - комбинированный способ (например, гальваностатический и потенциостатический).

Основные недостатки типовых способов заряда аккумуляторов на постоянном токе:

- низкая эффективность заряда АКБ из-за поляризации и образования двойного электрического слоя (ДЭС) в области электродов;

- повышенный нагрев электролита АКБ из-за явления поляризации;

- отсутствие электрической регенерации АКБ при заряде и необходимость проведения длительных КГЦ;

- повышенная трудоёмкость регенерации АКБ.

В настоящее время наряду со средствами заряда АКБ постоянным током предложены способы и средства регенеративного заряда АКБ знакопеременным (реверсивным), током, который в ряде случаев классифицируют асимметричным током. Сущность этих способов заключается в том, что периодически заряд АКБ сменяется её разрядом током, значение которого меньше тока заряда. Таким образом, реализуется заряд АКБ с внедрением в зарядный процесс, своего рода, разнесённого КТЦ. Иногда такой регенеративный режим заряда

АКБ называют «заряд с тренировкой».

Вместе с тем, заряду АКБ реверсивным (асимметричным) током свойственны свои дополнительные недостатки:

- завышение мощности силового согласующего трансформатора из-за под-магничивания постоянной составляющей зарядного тока;

- повышенный электронагрев электролита АКБ и увеличение продолжительности заряда и расхода электроэнергии из-за наличия обратного (разрядного) тока;

- при фазовом управлении возникновение высокочастотных помех и необходимость их подавления применением заградительных фильтров;

- повышенная относительная продолжительность регенерации АКБ из-за наличия обратного (разрядного) тока;

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассмотрена математическая модель двойного электрического слоя (ДЭС) аккумулятора, разработаны схемы замещения аккумуляторной нагрузки при импульсном заряде и даны расчётные соотношения по определению параметров схемы замещения. На основании этого определены целесообразные режимы электротехнологии регенеративного заряда аккумуляторов импульсным током. Сделана оценка теплового состояния аккумулятора при регенеративном заряде инфра низкочастотным (ИНЧ) импульсным током.

Основополагающее влияние на протекание электрохимических процессов в аккумуляторе оказывает поляризация и образование двойного электрического слоя (ДЭС). ДЭС - тонкий поверхностный слой из пространственно разделенных электрических зарядов противоположного знака, образующийся на границе двух фаз, в частности, на границе между электродом и раствором электролита, рис.3.

Рис.3. Схема, поясняющая явление поляризации в электролите АК (а) и распределение потенциала электрического поля ДЭС с увеличением расстояния от электрода (б).

+ ОАнод КашобП

Адсорбционный спой

«ЬФузионный слой

Так как пространство разделения зарядов всегда сопровождается возникновением электрической разности потенциалов, то ДЭС следует рассматривать как конденсатор, у которого расстояние между обкладками опре-

деляется молекулярными размерами соответствующих ионов:

СД=8

'171 ,-12

(2)

1ДП ' "до

где в0 - диэлектрическая постоянная, 8,85419-Ю'12 Ф/м; е - относительная диэлектрическая проницаемость среды (для воды 78,3 при температуре 298 К),

- полная, с учетом пористости, площадь пар пластин электродов, м2; йдо и с!дл - толщина ДЭС соответственно для отрицательного (3,8...4,4)-Ю"10 м и положительного электродов (3,4...3,9)-Ю'10 м.

На ионы в ДЭС действуют одновременно электростатические силы и силы теплового движения. В результате взаимно противоположного влияния этих сил лишь часть ионов остаётся непосредственно вблизи поверхности электрода (плотная часть ДЭС или слой Гельмгольца), а остальные распределяются диф-фузно в растворе на некотором расстоянии от электрода (диффузный ДЭС или слой Гуи), рис.3 б. Степень диффузности увеличивается с ростом температуры, а также при уменьшении концентрации раствора электролита и при уменьшении заряда электрода. Средняя толщина плотной части ДЭС порядка радиуса иона. Поэтому ДЭС обладает высокой электрической ёмкостью (~10"5 Ф/см ) и внутри него действует сильное электрическое поле (~10 6 В/см).

Таким образом, аккумулятор при заряде следует рассматривать как нагрузку с противо-ЭДС, рис.4.

а) б)

Рис.4. Схемы замещения аккумуляторной нагрузки: а) - исходная, б) - преобразованная обобщённая для регенеративного импульсного ИНЧ заряда

Для обобщённой схемы замещения на основании 2-го закона Кирхгофа получаем исходное дифференциальное уравнение:

Решение дифференциального уравнения в общем случае имеет вид:

(3)

-Я3-СП (и -Е) Лэ-Ся (и -Е)

3 Я 1_г.. ^а . э л 1_г V а а' 1

' =-=--1п[мп---—] +-— • 1п[йло---—]

а-З-) а-А

Дп

Яп

(4)

где Б ~ 'в - постоянная времени переходного процесса заряда емкости

(1 + 1*0

п

ДЭС аккумулятора.

С учётом этого, (4) преобразуется к показательному виду:

1-е-"*) (5)

1+ —

При полном разряде ёмкости Сд ДЭС перед очередным импульсом заряда значение иПо = 0 и (5) упрощается до вида:

"я = (U ° "/°)-(1 - е"'/Г*>. (6)

1 + ——

В случае отключения напряжения заряда АК при полностью заряженной ёмкости Сд ДЭС уменьшение напряжения поляризации на ней с учётом постоянной времени отключения т0 = Яп-Сд и установившегося при заряде установившегося потенциала {у„-Еа) /(1+Кэ/Яц) опишется уравнением:

= (""'к*/)-*-'"0). (7)

1 +

э

R п

Сопоставив постоянные времени на включение зарядного напряжения АКБ и на отключение получим:

Го'т,- х + (8)

Таким образом, соотношение между продолжительностями включения и отключения г0 зарядного напряжения при полном заряде и разряде Сд ДЭС:

в-а + 42-). (9)

Значение сопротивления В.п перехода ДЭС зависит от состояния АКБ, но, на основании (9) всегда имеет место соотношение /0 >

На рис.5 представлены кривые изменения напряжения и тока при регенеративном заряде АКБ импульсным ИНЧ током.

Исходные параметры АКБ, зависящие от текущего состояния батареи, определяются на основании замеров при входном тестировании перед регенеративным зарядом.

Полное внутреннее сопротивление АКБ:

(10)

а

Сопротивление электролита:

Р - ^ « ~ ^ о

/.(0) ' (11) где ¡а(0) - ток заряда АКБ в момент включения зарядного напряжения.

На основании (10) и (11) определяется значение сопротивления перехода:

10

и-Е„ и„ - Е„

1. Ш ' (12)

Значение ёмкости ДЭС Сд в фарадах определяется по опытным данным записи переходного процесса при включении АКБ на заряд:

Д I а ■ Д ' д = ' (13)

где А/ш Д и - приращение тока и напряжения на АКБ при включении за малый период времени Дг.

Рис.5. Кривые изменения напряжения и тока при регенеративном заряде АКБ импульсным током

Соответственно, на основании полученных формул для напряжений ДЭС аккумулятора получены формульные соотношения для токов согласно схеме замещения АКБ, представленной на

1 ¡а*Яэ

¡а*Иэ

рис.4б:

/с

-¡¡г в

яэ + яп

= (

Ц а ^ а ) ■ (1 + ^ Э ) -

кэ + яп

я

п

,и-Е

'с ~ г'я = ' е'"Т° ) .

л„

(14)

(15)

(16) (17)

По опытным данным в зависимости от состояния АКБ Яп ~ (2...9)-Я^ Большие значения относятся к сульфатированным СК и гидратированным НЖ и НК аккумуляторам. То есть, соответственно с учётом (9) имеем при регенерирующем импульсном зарядном напряжении:

Я,

И

При этом длительность импульсов заряда на включение и отключение АКБ определяется с учётом рассчитанных значений постоянных времени тц и То после предварительного тестирования АКБ по определению её исходных параметров. Для предварительной оценки числовых значений временных интервалов на включение АКБ на заряд и на отключение х0 использованы опытные данные, полученные в результате предварительного тестирования СК АКБ различных типов и различного состояния. На основании этих данных установлено, что длительность импульсов включения на заряд АКБ должна быть в пределах 1В = 0,15...0,6 с. Соответственно длительность импульсов отключения АКБ с учётом (18) (0 = 0,45...6 с. Длительность одного цикла импульсного регенеративного режима заряда АКБ может составлять Гц = + 'о = 0,6...6,6 с, что соответствует инфранизкой частоте (ИНЧ) коммутаций^- = 1/7}/= 1,7...0,15 Гц.

На рис.6 представлена функциональная схема зарядной установки с преобразователем электроэнергии и программным управлением для реализации электротехнологии регенеративного заряда АКБ импульсным током.

Сеть~0 Рис.6 Функциональная схема за-

рядной установки для регенеративного импульсного заряда аккумуляторных батарей.

Установка содержит управляемый выпрямитель УВ, нагрузкой которого является заряжаемая аккумуляторная батарея АКБ. Параметры аккумуляторной батареи: температура электролита, сила зарядного тока и напряжение непрерывно контролируются соответственно датчиками температуры ДТр, тока ДТ и напряжения ДН. Затем контролируемые параметры преобразуются в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем АЦП и поступают на вход программируемого микроконтроллера ПМК, где сравниваются с программно заданными значениями для данной аккумуляторной батареи. Управляемый выпрямитель УВ содержит силовой согласующий трансформатор и схему выпрямления на силовых тиристорах с фазовьм управлением. Изменение значения выпрямленного напряжения и тока заряда аккумуляторной батареи АБ осуществляется изменением угла управления силовых тиристоров выпрямительного моста и изменяется от нуля до максимально возможного значения, определяемой конкретной схемой выпрямления. Для разряда АКБ на питающую сеть после полного заряда батареи предусмотрен управляемый инвертор УИ ведомый сетью. При этом энергия АКБ рекуперируется (возвращается) в питающую сеть с контролем количества отданной энергии в А-ч до достижения батарей нижнего нормируемого значения напряжения, которое для СК АКБ составляет 1,7 В на один аккумулятор.

Управление

режимом заряда

На рис.7, представлена схема алгоритма для реализации электротехнологии регенеративного заряда АКБ импульсным током.

Рис.7. Схема алгоритма электротехнологии регенеративного заряда АКБ импульсным током.

Отличительной особенностью зарядной установки для импульсного заряда АКБ является обеспечение повышенного значения тока импульсного режима заряда 1т по отношению к нормируемому длительному, значение которого нормируется, например для СК АКБ 1ю - 0,1и обеспечение контроля и стабилизации температуры электролита и токов на нормированном уровне. Исходя из равенства тепловых потерь в аккумуляторной батарее для нормированного длительного режима заряда постоянным током и для импульсного режима заряда на основании метода эквивалентного (среднеквадратического) тока можно записать для этих сравниваемых режимов:

= (19)

I» = /„

Ш!ю

где q= ((в+ ¡о)/ /д - скважность импульсов зарядного напряжения.

На основании рекомендуемых значений гв и 10 устанавливаем, что скважность импульсов тока заряда батареи при этом будет изменяться в диапазоне ц = 1...44. Тогда по соотношению (19) определяем изменение амплитуды импульсного тока заряда АКБ в зависимости от скважности импульсов, рис.8.

Рис.8. Зависимость изменения относительного значения амплитуды импульсного тока 1т/1м заряда СК АКБ в зависимости от скважностирегене-рирующих импульсов.

Из анализа графика рис.8 следует, что чем значительнее скважность регенерирующих зарядных импульсов СК АКБ, тем большую амплитуду импульсов можно принять исходя из допустимого нагрева

АКБ при длительном заряде при постоянном среднем значении импульсного тока заряда (гальваностатический заряд). В частности, при наибольшей скважности <7 = 44 амплитудное значение длительного тока импульсного заряда может превышать длительный постоянный ток нормируемого гальваностатического заряда в 6,5 раз.

При включении АКБ на импульсный регенеративный заряд из холодного состояния возможен ускоренный импульсный заряд АКБ с ещё большими амплитудными значениями тока заряда. При этом, по мере нагрева АКБ, амплитуда импульсного тока заряда должна уменьшаться по экспоненциальной кривой с постоянной времени %, равной постоянной времени Тн экспоненциальной кривой нарастающего нагрева АКБ, рис.9.

Рис.9. Зависимости относительного изменения тока, превышения температуры и электрохимической емкости АКБ при ускоренном заряде при Тн-Тн-

\ /0. К

Аа, N

"ш

Значение гя зависит от значения стартового удельного тока АКБ /яу , (А/(А-ч), которое не должно превышать наибольший удельный рабочий ток аккумулятора, в зависимости от типа аккумуляторов составляющий (2...4) А/(А-ч). Анализ показывает, что наименьшее допустимое значение нормированной постоянной времени заряда СК АКБ составляет из этого условия тНтт= 0,25...0,5 ч, что согласуется с опытными данными для Соответственно, исходя из этого, наименьшая продолжительность ускоренного заряда должна составлять не менее 4-(0,25...0,5) = 1...2 ч.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена выполнению энергетической части зарядно-разрядного преобразователя (ЗРП). Основной отличительной особенностью ЗРП для регенеративного заряда является обеспечение повышенного значения тока импульсного режима заряда и обеспечение контроля и стабилизации температуры электролита и токов на нормированном уровне. Так как процессы заряда и разряда аккумуляторной батареи при электрической регенерации длительные и только один цикл заряд-разряд-заряд может длиться до 30 часов и более, зарядная установка должна быть программно автоматизированной с цепями обратных связей по основным контролируемым параметрам.

Основные параметры автоматизированного ЗРП для регенеративного заряда АКБ импульсным током, приведены в нижеследующей табл. 1.

№ п.п. Наименование параметра Значение

1. Номинальное напряжение питающей сети -380/220 В

2. Число фаз электропитания 3

3. Регулируемый длительный ток заряда 0-125 А

4. Максимальный импульсный выходной ток 500 А

5. Регулируемый длительный ток разряда 0-125 А

6. Регулируемое выходное напряжение 0-120 В

7. Длительность интервала заряда АКБ 0,15-0,6 с

8. Длительность интервала отключения АКБ 0,5-6

9. Количество этапов в режиме заряда АКБ 3

10. Количество этапов в режиме разряда 1

и. Завершение режима разряда по напряжению АКБ

12. Контроль емкости АКБ при заряде и разряде Да

13. Восстановление АКБ в КТЦ Да

14. Количество циклов заряд-разряд-заряд 1-99

15. Автоматический контроль температуры Да

16. Количество каналов контроля температуры АКБ 2

17. Автокорректировка режима заряда по температуре Да

18. Измерение тока и напряжения на выходе установки Да

19. Количество каналов контроля напряжения на АКБ 2

20. Автокорректировка режима заряда по напряжению Да

21. Контроль состояния предохранителя на выходе Да

22. Контроль напряжения в фазах питающей сети Да

23. Основные параметры для индикации на панели оператора: заданное время процесса; фактическое время процесса; полученная АКБ емкость; отданная от АКБ емкость; аварийные режимы и обнаруженные неисправности; база АКБ; журнал аварий Да

Выпрямитель и инвертор ведомый сетью выполняются каждый по классической трёхфазной мостовой схеме с использованием тиристорных модулей типа БККТ162/12Е с общей установкой на стандартных охладителях РЗОО-БМК воздушного охлаждения совместно с системами импульсно-фазового управления (СИФУ) выпрямителем и инвертором, рис.10.

Рис.10. Общий вид тиристорного блока выпрямителя и инвертора с установленной комплектацией: 1-тиристорный модуль SKKT 162/12 Е, 2-охладитель, 3-вентилятор, 4-СИФУ выпрямителя, 5-СИФУ инвертора.

Известно, что математически связь между действующим (греющим) I и средним Id значениями тока тиристора можно выразить через коэффициент формы тока кф.

I = кф-Id.

(20)

В общем случае, для расчёта коэффициента формы тока тиристора и оценке его нагрузочной способности при любом характере нагрузки использовалась аппроксимирующая формула профессора Л.П.Шичкова:

кф = кФ0 • ■ (21)

где кФ0 - опорный аппроксимирующий коэффициент, значение которого равно 1,00 при прямоугольной форме тока тиристора; 1,11 - при синусоидальной форме и 1,16 - при треугольной форме импульса тока тиристора; Тк - период коммутации тиристора для его тока нагрузки, рад; к - угол проводимости тиристора, рад.

С учётом условий охлаждения тиристоров выпрямителя и инвертора ЗРП получена формула по расчёту допускаемого тока 1х нагрузки отдельного тиристора:

(22)

кф0'П

где 1н - номинальный ток тиристора, А; Ро~Ао/Ан- коэффициент, равный отношению теплоотдачи Ао тиристора при скорости охлаждающего потока Vc=0 к теплоотдаче Ан при номинальных (паспортных) условиях охлаждения Vc=Vch.

В ЧЕТВЁРТОЙ ГЛАВЕ рассмотрены система мониторинга и управления зарядно-разрядным преобразователем, которая должна обеспечивать управление энергетическим цепями преобразователя, реализовать разветвленный алгоритм выполнения процессов заряда-разряда и восстановления аккумуляторных батарей (АКБ) и реализовать сервисные функции преобразователя. Из-за многофункциональности эта система выполнена с использованием программно-управляемых аппаратных средств, так как исключительно её аппаратная реализация будет обладать высокой степенью сложности и низкой надежностью.

На рис.11 представлена полная функциональная схема ЗРП. Энергетические цепи этого преобразователя состоят из силового трансформатора Т, трехфазных мостовых выпрямителя Ш и инвертора 112. Для управления этими тиристорами в зарядно-разрядном преобразователе использованы две трехфазные СИФУ - А2 для выпрямителя и АЗ для инвертора.

СИФУ

ш у

АБ

Сеть-ДТ1

.В'

ш

А1 V

дтР1

Ж

т

ДН1 ДТ2

О

ДТр2..П ДН2

V

АЗ

СИФУ

Модуль измерения температуры

А4

Блок регулирования

Ж

А5

А6

К вспомогательным устройствам

пж

/М

Панель оператора

Puc.ll. Полная функциональная схема зарядно-разрядного преобразователя.

К блоку регулирования А4 подключены датчики тока ДТ1, ДТ2 и датчики напряжения ДН1 и ДН2. Датчик ДТ1 обеспечивает измерение потребляемого преобразователем тока, в соответствии со значением которого может ограничиваться сила тока на выходе преобразователя, что позволяет избежать перегрева элементов энергетических цепей преобразователя при работе в режиме импульсного заряда. Датчик ДН1 предназначен для измерения напряжения на обслуживаемой АКБ, а ДН2 - на ведущем процесс аккумуляторе этой батареи. Использование этих датчиков позволяет корректировать процессы заряда-разряда АКБ по её состоянию. Причем, датчик ДН2 подключается к аккумулятору с наихудшими характеристиками, что позволяет в значительной степени

уменьшить степень неравномерность заряда аккумуляторов в батареи. Задание силы тока заряда или разряда АКБ и управляющие команды поступают на блок регулирования А4 по информационной сети от программируемого логического контроллера (ПЛК) А5. ПЛК управляет преобразователем в соответствие с требуемым алгоритмом. В свою очередь, по этой сети блок регулирования А4 передает на ПЛК А5 информацию о своем состоянии и измеренные датчиками ДТ1, ДТ2, ДН1, ДН2 значения. Интерфейс человек-машина в ЗРП обеспечен с помощью сенсорной панели оператора А6, которая через последовательный порт подключена к ПЖ А5. Таким образом, система мониторинга и управления ЗРП состоит из ПЖ (А5), панели оператора (А6), модуля измерения температуры (А1), блока регулирования (А4) и двух СИФУ (А2 и АЗ). Конкретное сопряжение указанных средств представлено на схеме рис.12.

Я 5 Т СИФУ

иа_

ЕпвЬв

А6

К Б Т СИФУ гёуг

Ца

ЕпаЫв

регулирования

г^Р-С,-

1~22ЙУ1-

В-

Модуль измерения температуры

Рис.12. Функщоналъная схема зарядно-разрядного преобразователя с вспомогательными устройствами.

В системе управления и мониторинга применяются четыре программно-управляемых устройства: программируемый логический контроллер 0\Т32ЕНСЮТ2, модуль измерения температуры МВА8, блок регулирования и

панель оператора ООР-АЕ80ТНТО. Программное обеспечение (ПО) каждого из этих устройств решает строго определенные функции:

1. Для ПЖ - общие задачи управления зарядно-разрядным преобразователем и технологическим процессом, управление информационной сетью;

2. Для модуля измерения температуры - измерение и передача данных в информационную сеть;

3. Для блока регулирования - обработка сигналов от аналоговых датчиков, автоматическое регулирование выходного тока преобразователя, автобалансировка измерительных цепей, прием и передача данных по информационной сети;

4. Для панели оператора - интерфейс связи между оператором и ПЖ, обслуживание технологической базы данных преобразователя, контроль лицензии.

При разработке и реализации ПО преобразователя было использовано только свободно распространяемое инструментальное ПО, что позволяет избежать проблемы с использованием авторских прав. Распечатка конкретных программ приведена в Приложении диссертации.

ПЯТАЯ ГЛАВА посвящена особенностям конструктивного выполнения ЗРП и оценке электротехнологии заряда АКБ с ЗРП регенеративного заряда импульсным током.

Конструктивно преобразователь для регенеративного заряда АКБ импульсным питанием выполнен в виде шкафа двухстороннего обслуживания напольной установки. Двухстороннее обслуживание ЗРП облегчает обслуживание и эксплуатацию преобразователя, а соответственно повышает его эксплуатационную надёжность. Другой конструктивной особенностью ЗРП является блоч-но-модульное выполнение и размещение всех компонентов преобразователя. В частности, основные кнопки управления преобразователем и панель оператора вынесены на лицевую сторону передней двери, рис.13. Поэтому в рабочем режиме преобразователя двери шкафа плотно закрыты через уплотнители и, тем самым, снижается воздействие окружающей среды на внутреннюю аппаратуру.

Рис.13. Вид конструктивного размещения панели оператора и основных кнопок управления ЗРП.

Лабораторные испытания ЗРП проводились поэтапно как в процессе изгото&чения и отладки отельных узлов и блоков, а также в целом после завершения всех монтажно-сборочных работ.

В табл. 2 приведены обобщённые данные производственной апробации по регенеративному заряду АКБ импульс-

ным током, которые по однотипности заряжаемых батарей сведены в четыре группы.

__ ___ _Таблица 2

Номер группы Число регенерируемых АКБ импульсным током Исходная средняя ёмкость АКБ, % Средняя ёмкость АКБ после одного цикла регенерации, % Среднее увеличение ёмкости АКБ после одного цикла регенерации, %

1 21 32,86 78,57 45,71

2 18 45,56 81,67 36,11

3 57 28,77 73,86 45,09

4 70 39,86 85,29 45,43

Анализ данных Таблицы 2 подтверждает высокую эффективность регенеративного заряда АКБ импульсным током. Эту же высокую эффективность подтверждают заключения и протоколы, представленные сторонними организациями, которые приведены в Приложении диссертации.

Экономический эффект от использования разработанного ЗРП для импульсной регенерации АКБ составляет 1,1 млн. руб. в год в расчёте на одну автоматизированную установку, которая в системе централизованного обслуживания АКБ при полном нормированном использовании в течение года окупается примерно через полтора года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Выполнен анализ технологий заряда и заряда-разряда аккумуляторов в службах сельского хозяйства. Преимущественное использование в мобильных средствах АПК получили свинцово-кислотные аккумуляторы, относительный объём которых по энергоиспользованию составляет в среднем 85°/о.

2. Разработана математическая модель и обоснованы параметры схемы замещения аккумуляторной нагрузки. Установлено, что на протекание электрохимических процессов в аккумуляторе существенное влияние оказывают поляризационные явления в ДЭС, которые по природе их возникновения обуславливаются слоями адсорбционным и диффузионным. На основании схемы замещения аккумуляторной нагрузки даны расчётные соотношения по определению её параметров и установлены оптимальные продолжительности включения ¡в - 0,15...0,6 с и отключения — 0,45...6 с зарядного напряжения и оптимальный диапазон инфра низких частот коммутаций, составляющий./^ 1,7...0,15 Гц.

3. Проведён анализ теплового режима АКБ при импульсном регенеративном заряде по сравнению с типовым гальваностатическим зарядом на постоян-

ном токе. Предложено при ускоренном режиме заряда для исключения перегрева АКБ устанавливать равенство между постоянной времени нагрева АКБ и постоянной времени экспоненциального процесса ускоренного заряда по правилу ампер-часов. При этом полная продолжительность ускоренного заряда АКБ для исключения её перегрева должна составлять не менее 1...2 часов.

4. Разработано схемотехническое решение и дана методика расчёта параметров элементов энергетических цепей зарядно-разрядного преобразователя. Проведён анализ работы ЗРП в режиме выпрямления и инвертирования с рекуперацией энергии АКБ в питающую сеть. На основании анализа установлены граничные режимы управления выпрямителем и инвертором. Приведены схемные и конструктивные решения основных блоков энергетической части ЗРП.

5. Предложен алгоритм программного управления зарядно-разрядным преобразователем и осуществлена его автоматизация с выбором соответствующих аппаратных и программных средств. Обоснован выбор программно управляемого блока - микроконтроллера А0ис7020, оснащенного пятика-нальным 12-битным АЦП и четырех канальным 12-битным ЦАП. Составлено программное обеспечение для управления всеми программно-аппаратными устройствами преобразователя - логическим контроллером ОУР32ЕНООТ2, блоком регулирования и панелью оператора БОР-АЕ80ТНГО. Приведены схемные, конструктивные и интефейсные решения основных звеньев информационной части ЗРП.

6. Использование при разработке ЗРП и его выполнении блочно-модульного построения с использованием современной унифицированной комплектации позволило обеспечить его высокую надёжность и широкую функциональность за счёт программной автоматизации основных функций управления.

7. В результате производственных испытаний установлена высокая эффективность регенеративного заряда АКБ импульсным током. За один цикл регенерации от ЗРП ёмкость АКБ в среднем возрастает на 45% по сравнению с исходной ёмкостью, а срок службы АКБ увеличивается не менее чем на 20% по сравнению с нормативным сроком службы, что подтверждено испытаниями.

8. Дана технико-экономическая оценка эффективности разработанной электротехнологии регенеративного заряда аккумуляторов с учетом апробации разработки в производственных условиях. Экономический эффект от использования разработанного ЗРП для импульсной регенерации АКБ в системе централизованного обслуживания АКБ при нормированном использовании в течение года на протяжении 250 дней, составляет 1,1 млн. руб. в год в расчёте на одну автоматизированную установку, которая при этом окупается примерно через полтора года.

Публикации по теме диссертации:

Публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ

1. Шичков Л.П., Тюхтин К.И., Струков А.Н. Выпрямитель для регенеративного заряда аккумуляторов / Мех. и эл. с.х.. №7, с. 25-27,2009.

2. Шичков Л.П., Тюхтин К.И. Восстановительный заряд аккумуляторных батарей импульсным током / Мех. и эл. с.х.. №8, с. 29-31,2009.

3. Шичков Л.П., Тюхтин К.И., Струков А.Н. Восстановление ёмкости аккумуляторных батарей импульсным током обратной полярности / Мех. и эл. с.х. №4, с.24-26,2010.

Публикации в других изданиях

4. Патент №46368 РФ / Информационно-аналитическая система управления процессом регенерации аккумуляторов / К.И.Тюхтин. Приоритет от 11.03.2005.

5. Патент №59337 РФ / Устройство для восстановления аккумуляторной батареи / К.И.Тюхтин. Приоритет от 08.08.2006.

6. Патент № 2309509 РФ / Способ и устройство для восстановления аккумуляторной батареи / К.И.Тюхтин. Приоритет от 08.08.2006.

7. Тюхтин К.И. Регенеративный заряд аккумуляторных батарей / Вестник РГАЗУ. Научный журнал №4 (9), с.149-151. М: РГАЗУ - 2008.

8. Шичков Л.П., Тюхтин К.И. Программное управление режимами заряда и электрической регенерации аккумуляторных батарей сельскохозяйственной техники / Вестник РГАЗУ. Научный журнал №4 (9), с. 151-154. М: РГАЗУ -2008.

9. Тюхтин К.И. Расширение области применения технологии «MKT Групп» по продлению срока службы аккумуляторных батарей / Бюллетень ОСЖД, 2008, №4, с.24-27.

Подписано в печать 17.02.2011 г. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Объем 1,0 пл. Заказ Тираж 100 экз.

Издательство ФГОУ ВПО РГАЗУ 143900, Балашиха 8 Московской области

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ РАССМАТРИВАЕМОЙ ТЕМЫ, ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Аккумуляторы электрической энергии мобильной сельскохозяйственной техники и их эксплуатационные свойства.

1.2. Способы заряда и электрической регенерации аккумуляторов.

1.3. Средства заряда и электрической регенерации аккумуляторов.

1.4. Выводы.

1.5. Цель и задачи исследования.

2. ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ РЕГЕНЕРАТИВНОГО ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМПУЛЬСНОГО ТОКА.

2.1. Математическая модель и параметры схемы замещения аккумулятора.'.

2.2. Параметры и режимы электротехнологии регенеративного заряда аккумуляторов импульсным током.

2.3. Тепловой режим аккумулятора при регенеративном заряде импульсным током.

2.4. Выводы.

3. ВЫПОЛНЕНИЕ И ПАРАМЕТРЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ЗА-РЯДНО-РАЗРЯДНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ (ЗРП).

3.1. Технологические требования и обоснование схемотехнического выполнения силовой преобразовательной части ЗРП.

3.2. Анализ и расчёт параметров энергетической части ЗРП.

3.3. Особенности выполнения силовых блоков и узлов ЗРП.

3.4. Выводы.

4. СИСТЕМА МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ЗАРЯДНО-РАЗРЯДНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ.

4.1. Выбор и обоснования технических средств измерения контролируемых параметров и управления преобразователем.

4.2. Разработка алгоритма функционирования преобразователя.

4.3. Программное обеспечение системы мониторинга и управления преобразователем.

4.4. Согласование средств программного и аппаратного управления.

4.5. Выводы.

5. ОЦЕНКА ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРОВ С

ЗАРЯДНО-РАЗРЯДНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ.

5.1. Особенности конструкции и результаты испытаний ЗРП.

5.2. Эффективность электротехнологии регенеративного заряда АКБ.

5.3. Технико-экономическая оценка разработки.

5.4. Выводы.

Среди автономных источников электрической энергии особое место по использованию и перспективному развитию занимают накопители электрической энергии в виде химических источников тока второго рода, которые называют химическими аккумуляторами (АК) и которые имеют многократную возможность периодически накапливать в себе электрическую энергию, хранить её и в нужные периоды времени отдавать в нагрузку. Основными достоинствами химических аккумуляторов помимо способности многократного повторного заряда после разряда, являются достаточно высокие удельные энергетические показатели при возможности агрегатироваться в аккумуляторные батареи (АКБ) для получения больших мощностей и токов при разряде на нагрузку. Именно эти достоинства обеспечили широкое распространение химических аккумуляторов в качестве автономных или резервных источников электрической энергии во всех отраслях экономики, в том числе и в сельском хозяйстве. Мобильные транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), которые широко используются в сельскохозяйственном производстве, имеют в составе используемого электрооборудования соответствующие АКБ для обеспечения стартерного пуска ДВС и резервного энергообеспечения при неработающем двигателе. В ряде случаев АКБ выполняет функции основной энергосиловой установки нагруженной на соответствующую резервируемую нагрузку или электропривод, например транспортного средства или электроинструмента.

Процессы, происходящие в химических аккумуляторах, взаимно обратимы. Так активные вещества электродов после цикла "ЗАРЯД - РАЗРЯД" должны иметь в идеале тот же состав и тоже количество, что и до начала цикла. Для обеспечения этих требований необходимо строго соблюдать определённые режимы заряда и разряда аккумуляторов, несоблюдение которых ведёт к преждевременному выходу аккумулятора из строя, а, с учётом широчайшего использования химических аккумуляторов, в целом - к значительным ущербам. Например, удельная стоимость одного ватт-часа стартерного свинцово-кислотного (СК) аккумулятора мобильных машин с ДВС в зависимости от исполнения составляет на настоящий период (3.5) руб./(Вт-ч). Для тяговых СК аккумуляторов этот показатель соответственно составляет (2.4) руб./(Вт-ч). Для других типов химических аккумуляторов эти стоимостные показатели ещё выше. Поэтому продление срока эксплуатации аккумуляторов мобильных сельскохозяйственных машин путём эффективного регенеративного заряда, является актуальной задачей не только по экономическим соображениям, а и по повышению экологической безопасности окружающей среды.

Значительный вклад в исследования по разработке средств и электротехнологий эффективного заряда аккумуляторов внесли учёные: Бородин И.Ф., Бухаров А.И., Емельянов И.А., Здрок А.Г., Зорохович А.Е., Людин В.Б., Северный А.Э., Фурсов А.П., Шичков Л.П. и другие. Вместе с тем, несмотря на достигнутые результаты по новым электротехнологиям регенерации химических аккумуляторов, остаётся масса проблем, связанных с раскрытием и теоретическом обоснованием процессов, происходящих при их заряде и разряде. Существующие электротехнологии заряда и электрической регенерации аккумуляторов наряду с преимуществами по сравнению с другими способами имеют и свойственные им недостатки, ограничивающие их применимость. Поэтому основная задача рассматриваемого исследования состояла в разработке и обосновании эффективной электротехнологии и параметров полупроводникового преобразователя для автоматизированного регенеративного (восстановительного) заряда АБ мобильной сельскохозяйственной техники.

Основные результаты выполненной диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Выполнен анализ технологий заряда и заряда-разряда аккумуляторов в службах сельского хозяйства. Преимущественное использование в мобильных средствах АПК получили свинцово-кислотные аккумуляторы, относительный объём .которых по энергоиспользованию составляет в среднем 85%.

2. Разработана математическая модель и обоснованы параметры схемы замещения аккумуляторной нагрузки. Установлено, что на протекание электрохимических процессов в аккумуляторе существенное влияние оказывают поляризационные явления в ДЭС, которые по природе их возникновения обуславливаются слоями адсорбционным и диффузионным. На основании схемы замещения аккумуляторной нагрузки даны расчётные соотношения по определению её параметров и установлены оптимальные продолжительности включения — 0,15.0,6 с и отключения — 0,45.6 с зарядного напряжения и оптимальный диапазон инфра низких частот коммутаций, составляющий /к = 1,7.0,15 Гц.

3. Проведён анализ теплового режима АКБ при импульсном регенеративном заряде по сравнению с типовым гальваностатическим зарядом на постоянном токе. Предложено при ускоренном режиме заряда для исключения перегрева АКБ устанавливать равенство между постоянной времени нагрева АКБ и постоянной времени экспоненциального процесса ускоренного заряда по правилу ампер-часов. При этом полная продолжительность ускоренного заряда АКБ для исключения её перегрева должна составлять не менее 1. .2 часов.

4. Разработано схемотехническое решение и дана методика расчёта параметров элементов энергетических цепей зарядно-разрядного преобразователя. Проведён анализ работы ЗРП в режиме выпрямления и инвертирования с рекуперацией энергии АКБ в питающую сеть. На основании анализа установлены граничные режимы управления выпрямителем и инвертором. Приведены схемные и конструктивные решения основных блоков энергетической части ЗРП.

5. Предложен алгоритм программного управления зарядно-разрядным преобразователем и осуществлена его автоматизация с выбором соответствующих аппаратных и программных средств. Обоснован выбор программно управляемого блока - микроконтроллера АБиС7020, оснащенного пятиканальным 12-битным АЦП и четырех канальным 12-битным ЦАП. Составлено программное обеспечение для управления всеми программно-аппаратными устройствами преобразователя - логическим контроллером БУР32ЕН00Т2, блоком регулирования и панелью оператора БОР-АЕ80ТШТ). Приведены схемные, конструктивные и интефейсные решения основных звеньев информационной части ЗРП.

6. Использование при разработке ЗРП и его выполнении блочно-модульного построения с использованием современной унифицированной комплектации позволило обеспечить его высокую надёжность и широкую функциональность за счёт программной автоматизации основных функций управления.

7. В результате производственных испытаний установлена высокая эффективность регенеративного заряда АКБ импульсным током. За один цикл регенерации от ЗРП ёмкость АКБ в среднем возрастает на 45% по сравнению с исходной ёмкостью, а срок службы АКБ увеличивается не менее чем на 20% по сравнению с нормативным сроком службы, что подтверждено испытаниями.

8. Дана технико-экономическая оценка эффективности разработанной электротехнологии регенеративного заряда аккумуляторов с учетом апробации разработки в производственных условиях. Экономический эффект от использования разработанного ЗРП для импульсной регенерации АКБ составляет 4,1 млн. руб. в год в расчёте на одну установку, которая при полном нормированном использовании окупается примерно через полгода.

Главным практическим итогом работы является разработка и изготовление автоматизированного зарядно-разрядного преобразователя для реализации прогрессивной электротехнологии регенеративного заряда АКБ импульсным током и её практическая реализация в производственных условиях.

Основные положения работы рассматривались и получили одобрение на различных научных и научно-практических конференциях, совещаниях и семинарах различных организаций, в том числе РГАЗУ, ВИЭСХ.

Список научных трудов автора по теме диссертационного исследования содержит 9 работ, в том числе, 3 патента на изобретения и 3 публикации в журналах входящих в перечень ВАК РФ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изложенный в диссертации комплекс выполненных теоретико-экспериментальных исследований по повышению эффективности электротехнологии заряда аккумуляторных батарей (АКБ) мобильной сельскохозяйственной техники путём регенерации АКБ при заряде импульсным питанием от разработанного автоматизированного зарядно-разрядного преобразователя (ЗРП) позволяет ускорить, а в ряде случаев и осуществить процесс электрической регенерации АКБ по сравнению с регенерацией на постоянном токе в контрольно тренировочном цикле (КТЦ). Разработанные математические модели и методики расчёта дают возможность целенаправленно осуществлять электротехнологию регенеративного заряда АКБ импульсным питанием и проектировать для этих целей соответствующие ЗРП. При этом разработанные новые технические решения защищены соответствующими патентами на изобретения, что подтверждает их значимость.

В результате проведённого исследования осуществлено комплексное решение научно-технической проблемы по созданию для агропромышленного комплекса (АПК) высокоэффективной электротехнологии регенеративного заряда АКБ от установок с ЗРП. Совокупность теоретических и практических результатов диссертационной работы создаёт объективные предпосылки для широкого и эффективного применения выполненной разработки во всех отраслях АПК.

1. A.C. 1119107 (СССР). Способ заряда кислотной свинцовой аккумуляторной батареи /А.Г. Здрок, И.В. Лысенко, А.П. Юдин // Б.И. 1984. N38.

2. A.c. № 1700865 (СССР). Устройство для зарядки аккумуляторных батарей асимметричным током./ В.Б. Людин, О.П. Мохова, Л.П. Шичков // Опубл. Б.И., 1991, № 47.

3. Аккумуляторы для мобильных устройств — методы заряда. -http://www.ixbt.com/mobile/battery-charge.html.

4. Аккумуляторы для мобильных устройств — разновидности, сравнительные характеристики. http://www.ixbt.com/mobile/acc.html.

5. Алиев И.И. Электротехнический справочник. М.: ИП РадиоСофт, 2000. -384 с.

6. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. М.: Высш. шк., 1984. - 519 с.

7. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники. 4.1. М.: Энергия, 1970.-592 с.

8. Атаманенко С.А., Швалев Е.Б. Диагностика и способы продления срока службы свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Л.: О-во "Знание" РСФСР, ЛО, ЛДНТП, 1990.- 16 с.

9. Басараб М. А., Зелкин Е. Г., Кравченко В. Ф., Яковлев В. П. Цифровая обработка сигналов на основе теоремы Уиттекера-Котельникова-Шеннона. — М.: Радиотехника, 2004. 72 с.

10. Болотов A.B., Шепель Г.А. Электротехнологические установки: Учеб. для вузов. М.: Высшая школа, 1988. — 336 с.

11. Болотовский В.И., Вайсгант Э.И. Эксплуатация, обслуживание и ремонт свинцовых аккумуляторов. Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 208 с.

12. Бородин И.Ф., Судник Ю.А. Автоматизация технологических процессов. — М.: КолосС, 2003. 344 с.

13. Брускин Д.Э. и др. Электрические машины. В 2-х ч. Ч. 1. М.: Высш. шк., 1987.-319 с.

14. Булатов О.Г., Царенко А.И., Поляков В.Д. Тиристорно-конденсаторные источники питания для электротехнологии.— М.: Энергоатомиздат, 1989 — 200 с.

15. Вайлов A.M., Эйгель Ф.И. Автоматизация контроля и обслуживания аккумуляторных батарей. М.: Связь, 1975.

16. Восстановление электродов аккумуляторных батарей / И.К. Тетянич, А.А, Деркач, В.М. Бучной, В.А. Симкин, В.А. Белов // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 1988, № 4.

17. Голуб В. Измерительные дифференциальные усилители для высоковольтных систем // Chip news, Украина инженерная микроэлектроника, №8, 2003. - С. 8-11.

18. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 320 с.

19. Дамаскин Б.Б., Петрий O.A., Цирлина Г.А. Электрохимия. М.: Высш. шк., 2001.-624 с.

20. Дасоян М.А., Агуф И.А. Основы расчета, конструирования и технологии производства свинцовых аккумуляторов.- Л.: Энергия, 1978.- 152 с.

21. Делахе и П., Двойной слой и кинетика электродных процессов, пер. с англ., М., 1967.

22. Денисенко В. В. Компьютерное управление технологическим процессом, экспериментом, оборудованием. М.: Горячая линия — Телеком, 2009. - 608 с.

23. Диоды и тиристоры в преобразовательных установках. / Абрамович М.И. и др. М.: Энергоатомиздат, 1992. - 432 с.

24. Дубина В.В, Чикунов Н.П. Аккумуляторные батареи: устройство, обслуживание, ремонт: Учеб. пособие. Саранск: Изд-во Морд, ун-та, 2001. - 187 с.

25. Дьяконов В. MATHCAD 8/2000: специальный справочник СПб: Питер 2001.-592 с.

26. Евстифеев A.B. Микроконтроллеры AVE. семейств Tiny и Mega фирмы "ATMEL" М.: Издательский дом "Додэка-ХХГ', 2004. - 560 с.

27. Евстифеев A.B. Микроконтроллеры AVR семейства Classic фирмы Atmel -М.: Издательский дом "Додэка-ХХГ, 2004. 288 с.

28. Жарковский Б.И. Приборы автоматического контроля и регулирования — М.: Высш. шк., 1989 336 с.

29. Живописцев Е.К., Косицын O.A. Электротехнология и электрическое освещение. М.: Агропромиздат, 1990. - 284 с.

30. Здрок А.Г. Выпрямительные устройства стабилизации напряжения и заряда аккумуляторов. М: Энергоатомиздат, 1988. - 144с.31.3орохович А.Е., Вельский В.П., Эйгель В.И. Устройства для заряда и разряда аккумуляторных батарей.- М.: Энергия, 1975.

31. Каталог: Программируемые контроллеры (Rev. 07.2010). http://www.stoikltd.ru/images/shop/logcontrollers/DVP С R 20100407.pdf.

32. Каталог: Панели оператора Delta (Rev. 2008). http://www.stoildtd.ru/images/shop/panelsop/DELTA HMI catalogue rus.pdf

33. Клауснитцер Г. Введение в электротехнику: Пер. с нем. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 480 с.

34. Компилятор WinARM. http://www.siwawi.arubi.uni-kl.de/avr projects/arm projects/WinARM-20060606.zip.

35. Коровин H.B. Электрохимическая энергетика.- М.: Энергоатомиздат, 1991. 263 с.

36. Куликов В.Н., Шичков Л.П. Повышение долговечности стартерных аккумуляторных батарей с использованием тиристорного источника питания. // Эксплуатация и ремонт сельскохозяйственной техники: Межвузовский сб. научных трудов- М: ВСХИЗО, 1990.- С. 65-75.

37. Кухлинг X. Справочник по физике: Пер. с нем. М.: Мир, 1982. - 500 с.

38. Лаврус B.C. Батарейки и аккумуляторы. К: Наука и техника, 1995. - 48 с.

39. Лаврус B.C. Источники энергии. К.: Наука и техника, 1997. - 107 с.

40. Лихачев В.Л. Электротехника: Справочник. Том 2. М.: СОЛОН-Пресс, 2003.-448 с.

41. Людин В. Б. Автоматизированный источник реверсивного тока для регенерациии аккумуляторных батарей // РГАЗУ Агропромышленному комплексу: Сборник научных трудов, ч. 2 - Москва 2000 - С. 231 -233.

42. Людин В.Б. Структуры силовых преобразователей гальванических установок ремонтных предприятий АПК. // Инженерный факультет — агропромышленному комплексу. Сборник научных трудов. М.: РГАЗУ.-2001.- С. 191-192.

43. Людин В.Б. Ускоренный заряд свинцово-кислотных аккумуляторов сельскохозяйственной техники реверсивным током. Автореферат дисс. на соиск. ученой степени кандидата технических наук. 1994. - 22 с.

44. Людин В.Б. Экспресс-диагностика состояния стартерных свинцово-кислотных аккумуляторов. // «ВСХИЗО АПК»: Сб. научных трудов -М.:ВСХИЗО, 1994-С. 189-190.

45. Маргелов А. Датчики тока компании HONEYWELL // Новости электроники, № 8, 2006 С. 18-22.

46. Маргелов А. Новые платиновые датчики температуры // Новости электроники, № 1, 2007 С. 17,18.

47. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. М.: Додэка, 2000. - 608 с.

48. Нагорский В.Д. Электроника и электрооборудование. М.: Высш. шк., 1986.

49. Накопители энергии. /Д.А. Бут, Б.Л. Алиевский, С.Р. Мизюрин, П.В. Васюкевич; Под ред. Д.А. Бута. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 400 с.

50. Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования: Справочное пособие / Под ред. A.C. Клюева. — М.: Энергоатомиздат, 1989. -368 с.

51. Однокристальные микро-ЭВМ: Справочник. -М.: МИКАП, 1994. 400 с.

52. Панели оператора серии DOP: Руководство пользователя. http://www.stoikltd.ru/images/shop/panelsop/DOP-A user%20manual rus.pdf.

53. Панели оператора серии DOP: Руководство по программированию. http://www.stoildtd.ru/images/shop/panelsop/DOP aplication%20manualEH00rus.pdf.

54. Патент №46368 РФ / Информационно-аналитическая система управления процессом регенерации аккумуляторов / К.И.Тюхтин. Приоритет от 11.03.2005.

55. Патент №59337 РФ / Устройство для восстановления аккумуляторной батареи / К.И.Тюхтин. Приоритет от 08.08.2006.

56. Патент № 2309509 РФ / Способ и устройство для восстановления аккумуляторной батареи / К.И.Тюхтин. Приоритет от 08.08.2006.

57. Патент РФ № 2052227. Шичков Л.П., Людин В.Б. Источник для заряда аккумуляторной батареи периодическим током с обратным импульсом.

58. Применение прецизионных аналоговых микросхем./ А.Г. Алексенко, Е.А. Коломбет, Г.И. Стародуб. М.: Радио и связь, 1985. - 304 с.

59. Программатор МВА8 http://kipshop.ru/Soft/Configurators/MVA8/mva8 setup.zip

60. Программируемые контроллеры: Руководство для инженера / Э. Парр; пер. 3-го англ. изд. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. - 516 с.

61. Программируемые логические контроллеры серии DVP-EH2. http://www.stoikltd.ru/images/news/DVP-EH2.pdf.

62. Программируемые логические контроллеры DVP-SS / SA / SX / ES / EX / EH: Руководство по программированию. http://www.stoilcltd.ru/images/shop/logcontrollers/DVP

63. PLC Application ManualfrusXpdf.

64. Программное обеспечение WPLSoft. http://www.stoikltd.ru/images/shop/logcontrollers/WPLSoft.zip.

65. Программное обеспечение Screen Editor для DOP-A/AE/AS. http://www.stoikltd.ru/images/shop/panelsop/ScreenEditor 1 05 83.zip.

66. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах / Сташин В.В., Урусов A.B., Мологонцева О.Ф. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 224 с.

67. Разоренов Ф. Модули ОВЕН МВА8 и МВУ8 с поддержкой протоколов Modbus и Dcon // Автоматизация производства, №28. http://owen-automat.narod.ru.

68. Редькин П.П. 32/16-микроконтроллеры ARM7 семейства AT91SAM7 фирмы Atmel. Руководство пользователя. М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2008 - 704 с.

69. Рекомендации по техническому обслуживанию аккумуляторных батарей,-М.: ГОСНИТИ, 1984 35 с.

70. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. М.: Энергоатомиздат, 1992. 296 с.

71. Руденко C.B., Сенько В.И., Чиженко ИМ. Основы преобразовательной техники. М.: Высш. шк., 1980. - 424 с.

72. Самарин A.B. Жидкокристаллические дисплеи. Схемотехника, конструкция и применение. М.: СОЛОН-Р, 2002. - 304 с.

73. Светотехника и. электротехнология / Баранов Л.А., Захаров В.А. М.: Издательство "КолосС", 2006. - 344 с.

74. Свойства электролитов: Справочник / Под ред. Максимовой И.Н. М.: Металлургия, 1987. 128 с.

75. Северный А.Э., Пучин Е.А., Мельников A.A. Использование, хранение и ремонт аккумуляторных батарей М.: ГОСНИТИ, 1991. - 112 с.

76. Семенов Б. Ю. Шина I2C в радиотехнических конструкциях. М.: Солон-Р, 2002.-190 С.

77. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник. / Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Недошивин Р.П. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 400 с.

78. Скорик В.И. Техническое обслуживание и ремонт аккумуляторных батарей. М.: ЦМИПКС, 1990 - 20 с.

79. Справочник инженера электрика сельскохозяйственного производства. -М.: Информагротех, 1999. - 536 с.

80. Средства заряда аккумуляторов и аккумуляторных батарей: Справочник /А.И. Бухаров, И,А. Емельянов, В.П. Суднов.- М.: Энергоатомиздат, 1988.288 с.

81. Стартерные аккумуляторные батареи: Устройство, эксплуатация, ремонт / Дасоян М.А., Курзуков Н.И., Тютрюмов О.С., Ягнятинский В.М. М.: Трансп., 1994. -241 с.

82. Тиминский В.И. Справочник по электрооборудованию автомобилей, тракторов и комбайнов. Минск: Ураджай, 1985.

83. Тиристоры (технический справочник). Пер. с англ. Под ред. В.А.Лабунцова и др. М.: Энергия, 1971. 560 с.

84. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. М.: Мир, 1982. - 512 с.

85. Тюхтин К.И. Регенеративный заряд аккумуляторных батарей / Вестник РГАЗУ. Научный журнал №4 (9), М.: РГАЗУ 2008. - С.149-151.

86. Тюхтин К.И. Расширение области применения технологии «MKT Групп» по продлению срока службы аккумуляторных батарей / Бюллетень ОСЖД, №4, 2008. С.24-27.

87. Фурсов С.П. Как зарядить аккумулятор. -Кишинев: Штиинца, 1984.- 176 с.

88. Фурсов С.П. Зарядные устройства, Кишинев: Штиинца, 1985. -224 с.

89. Чип индустрия. Электронные компоненты и приборы: Каталог- Осень 2004. М.: ЗАО "Чип Индустрия", 2004 - 464 с.

90. Швалев Е.Б. , Олесик Н.Ф. Прогрессивные способы зарядки аккумуляторов,- Л.:ЛДНТП, 1977- 28 с.

91. Шемякин С. HONEYWELL -номер один в мире датчиков. // Новости электроники, № 1, 2010 С. 3-8.

92. Шичков JI.П. Силовые полупроводниковые преобразователи напряжения в электрифицированных сельскохозяйственных установках: Автореферат диссертации на соискание ученой степени д-ра техн. наук: 05.20.02. -М., 1993. 37 с.

93. Шичков Л.П. Электрический привод. М.: КолосС, 2006. - 279 с.

94. Шичков Л.П., Батищев А.Н., Мохова О.П. Устройство для питания гальванических ванн периодическим током с обратным импульсом. A.c. № 1539244. Опубл. в Б.И., 1990, № 4.

95. Шичков Л.П., Людин В.Б. Ускоренный заряд стартерных аккумуляторных батарей. // Электромеханические и электротехнологические системы и управление ими в АПК: Сб. научных трудов,- М.: ВСХИЗО, 1992.- С. 126136.

96. Шичков Л.П., Людин В.Б. Ускоренный заряд тяговых аккумуляторов. // Сельский механизатор, № 9, 2005. С. 34, 35.

97. Шичков Л.П., Людин В.Б. Электротехнологические установки заряда аккумуляторов. М.: РГАЗУ, 2003. 88 с.

98. Шичков Л.П., Мохова О.П. Источник питания для гальванотехнологий. A.c. № 1534104. Опубл. в Б.И., 1990, № 1.

99. Шичков Л.П., Мохова О.П. Управление тепловым режимом гальванической ванны изменением формы технологического тока / Электромеханические и электротехнологические системы и управление ими в АПК // Сб. научных трудов. М.: ВСХИЗО, 1992. С. 137-140.

100. Шичков Л.П., Мохова О.П. Устройство для питания гальванических ванн периодическим током с обратным импульсом. A.c. № 1664883. Опубл. в Б.И., 1991, № 27.

101. Шичков Л.П., Тюхтин К.И. Программное управление режимами заряда и электрической регенерации аккумуляторных батарей сельскохозяйственной техники / Вестник РГАЗУ. Научный журнал №4 (9), М: РГАЗУ 2008. - С. 151-154.

102. Шичков JI.П., Тюхтин К.И. Восстановительный заряд аккумуляторных батарей импульсным током / Ж. Мех. и эл. с.х. №8, 2009. С. 29-31.

103. Шичков Л.П., Тюхтин К.И. , Струков А.Н. Выпрямитель для регенеративного заряда аккумуляторов / Ж. Мех. и эл. с.х. №7, 2009. С. 25-27.

104. Шичков Л.П., Тюхтин К.И. , Струков А.Н. Восстановление ёмкости аккумуляторных батарей импульсным током обратной полярности / Ж. Мех. и эл. с.х. №4, 2010. С.24-26.

105. Электрические и электронные аппараты: Учебник для вузов / Под ред. Ю.К. Розанова. -М.: Информэлектро, 2001. 420 е.: ил.

106. Электромобиль: Техника и экономика/В.А. Щетина, Ю.Я. Морговский, Б.И. Центер, В.А. Богомазов; Под общ. ред. В.А. Щетины Л.: Машиностроение, 1987.- 253 с.

107. Электронные приборы для защиты РЭА от электрических перегрузок: Справочник / Черепанов В.П., Хрулев А.К., Блудов И.П. М.: Радио и связь, 1994. - 224 с.

108. Электротехника и электроника. / Под ред. В.В. Кононенко. Ростов на Дону: Феникс, 2004. - 752 с.

109. ADuC702x Series Серия микроконтроллеров с ядром ARM7TDMI®. http://www.gaw.ru/pdf/AD/arm/ADuC702xR.pdf.

110. ADuC-H7020: -Users manual. http://www.olimex.com/dev/pdf/ARM/ANALQG/ADuC-H7020.pdf.

111. ADuC-H7020 schematic. http://www.olimex.com/dev/images/aduc-h702Q-sch.gif.

112. Datasheet HEL-711-T-1-12-00. http://www.terraelectronica.ru/pdf/HONEY/HEL-711 -T-1 -12-OO.pdf.

113. DC/DC Converters, AC/DC Power Supplies / Selection Guide 2002/03 Traco Power, 2002. - 62 p.

114. DVP-EH2- руководство по эксплуатации. http://www.stoikltd.ru/images/shop/logcontroUers/DVPEH2 manual rus.pdf.

115. Low Voltage Temperature Sensors TMP35/TMP36/TMP37 // Analog Devices, Inc., 1997.-16 p.

116. MACBAT Руководство по эксплуатации. - MACBAT AB, 2006. - 49 с.

117. Semikron: innovation + service. Modules for thyristor control (Rev. 14.04.2000). - 31 P. - http://www.semikron.com