Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА I. ОПТИМИЗАЦИЯ СТАТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ИМПУЛЬС НО-УПРАВЛЯЕМЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С АККУМУЛЯТОРНЫМ ПИТАНИЕМ 12
ГЛ. Выбор критериев оптимальности и аналитическое исследование законов оптимального управления статическими режимами работы 12
1.2. Разработка алгоритмов расчета на ЦВМ оптимальных законов управления и энергетических показателей г, 37
1.3. Анализ полученных результатов и выдача рекомендаций по выбору типа структуры системы управления и законов ее оптимального управления 47
Выводы к I главе 66
ГЛАВА 2. ОПТИМИЗАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ИМПУЛЬС НО-УПРАВЛЯЕМЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С АККУМУЛЯТОРНЫМ ПИТАНИЕМ "".. 68
2.1. Оптимальный разгон импульсно-управляемой электромеханической системы с аккумуляторным питанием 68
2.2. Исследование влияния величины отсечки тока якоря двигателя на пусковые энергетические показатели аккумуляторного электромобиля 86
Выводы ко 2 главе 89
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА И ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ЭНЕРГООБОРУДОВАНИЯ ИМПУЛЬСНО-УП РАВЛЯЕМЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С АККУМУЛЯТОРНЫМ ПИТАНИЕМ 91
3.1. Разработка математической модели и алгоритмов расчета энергооборудования и внешних сред функционирования аккумуляторного электромобиля
на ЦВМ
Подмодель:
"внешняя среда" 94
"тяговс-конструктивный расчет". 97
"механическая трансмиссия"... 97
"электродвигатель" 100
"широтно-импульеный преобра 102
"аккумуляторная батарея" 102
Технико-экономические показатели работы аккумуляторных электромобилей 104
Исследование зависимостей технико-экономических показателей аккумуляторных электромобилей от параметров оборудования и внешних сред функционирования 109
Методика инженерного расчета и выбора параметров энергооборудования импульсно-управляемых электромеханических систем с аккумуляторным питанием... 131
Выводы к 3 главе 133
РАЗРАБОТКА ДВУХКАНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ТИПА {ИЯ,Ф} 134
Разработка функциональной схемы двухканальной системы управления типа И$», ф} 134
Разработка устройства для дискретного управления широтно-импульсным преобразователем постоянного тока 139
Расширение диапазона дискретного регулирования скважности устройства для дискретного управления широтно-импульсным преобразователем постоянного тока 148
Разработка устройства управления широтно-импульсным преобразователем постоянного тока на базе микропроцессора 152
Выводы к 4 главе 159
ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ РАЗРАБОТАННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ 161
5.1. Исследование системы аккумуляторная батарея - широтно-импульсный преобразователь - двигатель независимого возбуждения на лабораторной установке... 161
5.2. Экспериментальные исследования электробуса с системой управления типа 169
Выводы к 5 главе 181
3 А К Л Ю Ч Е Н И Е 182
ЛИТЕРАТУРА 184
ПРИЛОЖЕНИЕ I. Программы расчета на ЦВМ характеристик исследуемых систем 193
П.І.І.І. Программа расчета на ЦВМ оптимальных управлений и энергетических показателей электромеханических систем с двигателем независимого возбуждения и с системой управления типа 193
П.І.І.2. Программа расчета на ЦВМ оптимальных управлений и энергетических показателей электромеханических систем с двигателем независимого возбуждения и с системой управления типа {U$, і) 195
П.І.І.З. Программа расчета на ЦВМ оптимальных управлений и энергетических показателей электромеханических систем с двигателем последовательного возбуждения и с системой управления типа {ifo, І} 197
П.І.2. Программа расчета оптимальных законов управления разгона импульсно-управляемой электромеханической системы с аккумуляторным питанием по минимуму пусковой емкости аккумуляторной батареи 199
П.1.3. Программа расчета технико-экономических показателей электромобиля, движущегося по европейскому городскому циклу движения 203
П.1.4. Программа расчета технико-экономических показателей электромобиля, движущегося по трапецеидальному циклу движения 209
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Алгоритмы расчета на ЦВМ характеристик исследуемых систем и работы микропроцессора в разработанных системах управления 214
П.2.1. Алгоритм решения задачи оптимального разгона им пульсно-управляемой электромеханической системы с аккумуляторным питанием 214
П.2.2. Алгоритм расчета влияния величины отсечки тока якоря двигателя на пусковые энергетические показатели аккумуляторного электромобиля 218
П.2.3. Алгоритм расчета подмодели "внешняя среда" типа европейский городской цикл движения 221
П.2.4. Алгоритм расчета подмодели "внешняя среда" типа трапецеидальный цикл движения 224
П.2.5. Алгоритм расчета характеристик аккумуляторной батареи 228
П.2.6. Программа работы микропроцессора, реализующая закон отсечки тока якоря двигателя 233
П.2.7. Алгоритм работы микропроцессора, реализующий хронометрический пуск электропривода 235
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Расчет ожидаемого экономического эффекта от внедрения двухканальной системы управления электропривода электромобиля 238
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Материалы внедрения диссертационной работы 2
Введение к работе
В настоящее время эксплуатируются и вновь проектируются различные автономные электромеханические системы (АЭМО) с аккумуляторным питанием, как например, средства автономного электротранспорта - электропогрузчики, шахтные аккумуляторные электровозы, аккумуляторные электромобили (ЭМ) и т.д. К примеру, в СССР ежегодно производится более 25000 машин безрельсового транспорта с аккумуляторным питанием, различного назначения [і]. Низкие энергетические показатели современных химических источников тока, приемлемых в качестве источника питания АЭМС, выдвигают необходимость усовершенствования таких систем с целью повышения их технико-экономических показателей. Развитие и совершенствование АЭМС с аккумуляторным питанием имеет важное народнохозяйственное значение. Актуальность исследования этих вопросов вытекает из решений, принятых на ХХУІ съезде КПСС. В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на І98І-І985 годы и на период до 1990 года" указано: "...обеспечить создание и начать производство малотоннажных грузовых электромобилей с эффективными источниками тока для внутригородских перевозок" [2J.
Усовершенствование АЭМС с аккумуляторным питанием в основном развивается в направлении внедрения более совершенных аккумуляторов и применения новых видов энергооборудования, обеспечивающих лучшее использование энергии аккумуляторной батареи (АБ), а также оптимизации параметров системы и режимов работы энергооборудования.
Преобладающее большинство АЭМС на базе средств автономного электротранспорта реализовано с двигателями постоянного тока независимого или последовательного возбуждения, питающимися от свинцово-кислотных АБ через широтно-импульсный преобразователь (ШИП) [і, 3, 4, 5, 6]. Использование в качестве химического источника тока свинцово-кислотных аккумуляторов обусловлено низкой стоимостью и приемлемым сроком службы, хотя удельная энергия их невелика и составляет примерно 22-28 Вт-ч/кг. Бесспорность преимуществ свинцово-кислотных АБ перед щелочными для средств автономного электротранспорта показана в работах.
При разработке АЭМС с аккумуляторным питание важной задачей является выбор структуры системы управления (СУ), типа возбуждения приводного двигателя, а также исследование и реализация оптимальных законов управления АЭМС, обеспечивающих более высокие энергетические показатели ее работы. При этом оптимальное, по выбранным критериям, управление АЭМС возможно при помощи одновременного управления не менее чем по двум каналам регулирования, например, при помощи совместного регулирования напряжения на якоре и магнитного потока возбуждения двигателя; напряжения на якоре двигателя и передаточного числа механической передачи и т.д. Исследованию вопросов оптимального управления статическими режимами работы электропривода постоянного тока по энергетическим критериям посвящены работы многих авторов [8, 9 II, 12, із] . В этих работах исследовались вопросы оптимального управления электропривода постоянного тока с реализацией управления по двум каналам: по напряжению на якоре и по магнитному потоку возбуждения двигателя. В качестве критерия оптимальности рассматривались полные потери в двигателе постоянного тока. Наличие в АЭМС АБ с переменными электричес - 8 кими параметрами и изменяющимся энергоресурсом; существенная зависимость отдаваемой АБ энергии и емкости от величины разрядного тока; соизмеримость потерь в АБ и в двигателе; не позволяет использовать полученные в вышеуказанных работах результаты исследований при разработке АЭМС с аккумуляторным питанием. В указанных работах не проводились исследования законов оптимального управления статических режимов работы АЭМС с СУ с каналом управления по передаточному числу механической передачи. Отсутствуют также результаты сопоставления по энергетическим показателям АЭМС с различными структурными типами СУ.
Немаловажное значение имеет также и оптимизация по энергетическим показателям динамических режимов работы АЭМС с аккумуляторным питанием. Вопросы, связанные с оптимальным управлением динамическими режимами работы электропривода постоянного тока по энергетическим критериям, в настоящее время исследованы достаточно полно [14 +16, 17, 18]. В этих работах решались задачи оптимального разгона и оптимального перемещения электропривода постоянного тока по энергетическим критериям. Однако специфика работы АЭМС с аккумуляторным питанием, обусловленная вышеуказанными особенностями, также не позволяет использовать полученные в этих работах результаты исследований.
Недостаточно рассмотрены вопросы разработки оптимальных СУ АЭМС с регулированием как по двум, так и по трем каналам управления, и обеспечивающих оптимальную работу по энергетическим критериям. Разработка оптимальных СУ несомненно потребует использования как дискретной, так и микропроцессорной техники.
Следует указать, что вопросы исследования оптимальных управлений статическими и динамическими режимами работы импульсно-управляемых АЭМС с аккумуляторным питанием; сопоставление энер - 9 гетических показателей АЭМС с различными структурными типами СУ с учетом свойств реально действующих взаимовлияний характеристик и показателей отдельных узлов оборудования; вопросы разработки оптимальных СУ до настоящего времени в технической литературе освещены крайне слабо.
Оценочные технико-экономические показатели проектируемой АЭЙС при заданной структуре и функциональных воздействиях на систему определяются значениями ее параметров. Проектирование АЭМС с аккумуляторным питанием включает ряд весьма важных этапов, к которым следует отнести следующие: определение взаимосвязей между технико-экономическими показателями и параметрами энергооборудования и внешней среды функционирования АЭМС; обоснование рациональных методов выбора параметров энергооборудования АЭМС; выявление путей параметрической оптимизации АЭМС для получения заданных (или желательных) энергетических и технико-экономических показателей. Очевидно, что при научно обоснованном проектировании АЭМС выбор всего энергооборудования должен рассматриваться в целом как единая проблема, с учетом основных взаимозависимостей параметров АБ и остального энергооборудования с целью обеспечения заданных требований при определенных ограничениях. Вопросу оптимизации параметров энергооборудования АЭМС с аккумуляторным питанием посвящены работы многих авторов [і, 19, 20 , 24, 25, 26]. Во всех вышеприведенных работах производился выбор типа и номинальной емкости АБ при заранее заданном остальном энергооборудовании, а также определялись взаимосвязи между отдельными показателями АЭМС и условиями ее функционирования. Инженерные методы расчета и выбора комплекса параметров АЭМС в зависимости от типа и параметров среды функционирования и задаваемых технико-экономических показателей проектируе - 10 мой АЭМС в этих работах не предлагаются.
В диссертационной работе предпринята попытка восполнить существующий пробел в исследовании АЭМС с аккумуляторным питанием, для чего поставлены и решены следующие задачи:
1. Оптимизации по энергетическим критериям статических режимов работы АЭМС с аккумуляторным питанием с различными структурными типами СУ электроприводов, сопоставление их по энергетическим показателям и разработка рекомендаций по выбору типа СУ.
2. Оптимизации по энергетическим критериям пусковых режимов работы АЭМС с аккумуляторным питанием и оценка энергетической эффективности оптимального управления.
3. Разработка математической модели АЭМС с аккумуляторным питанием в нестационарных режимах функционирования, исследование взаимосвязей между технико-экономическими показателями и параметрами оборудования и внешней среды, разработка методики инженерного расчета и выбора оптимальных параметров энергооборудования.
4. Разработка и создание двухканальной системы оптимального управления электропривода АЭМС с аккумуляторным питанием, обеспечивающей оптимальную работу по энергетическим критериям в статических и в динамических режимах работы.
5. Экспериментальные исследования АЭМС с аккумуляторным питанием с системами разработанных электроприводов.
Решение данных задач с учетом характерных особенностей АЭМС с аккумуляторным питанием, в частности, наличия взаимоопределяющей связи характеристик АБ и остального тягового электрооборудования, существенной зависимости энергоемкости АБ от тока разряда, соизмеримости потерь в АБ и в тяговом двигателе и т.д., поз - II волит разработать научно обоснованные методы оптимального проектирования и создания АЭМС с высокими технико-экономическими показателями.
На защиту выносится:
1. Обоснование целесообразности использования при исследовании и оптимизации статических режимов работы АЭМС с аккумуляторным питанием критерия минимума потребляемого от АБ тока.
2. Разработанные рекомендации, а также методика их получения, по выбору типа структуры СУ электропривода АЭМС с аккутлу-ляторным питанием в зависимости от диапазона распределения нагрузки и зарядового состояния АБ.
3. Обоснование целесообразности использования при разгоне электропривода АЭМС с аккумуляторным питанием (на базе ДНВ) квазиоптимального закона отсечки тока якоря двигателя.
4. Разработанная математическая модель и алгоритмы расчета на ЦВМ АЭМС с аккумуляторным питанием и ее внешних сред в нестационарных режимах функционирования.
5. Методика инженерного расчета и выбора оптимальных параметров энергооборудования АЭМС с аккумуляторным питанием.
6. Разработанная и созданная двухканальная система оптимального управления электропривода АЭМС с аккумуляторным питанием (на базе ДНВ) с управлением по каналам: по напряжению на якоре и по магнитному потоку возбуждения ДНВ, обеспечивающая работу по экстремумам энергетических показателей.
7. Разработанные устройства управления тиристорними ШИП на основе дискретной и микропроцессорной техники, обеспечивающие дискретное регулирование выходного напряжения ШИП и автоматическое ограничение тока нагрузки по квазиоптимальному закону отсечки тока в пусковых режимах и в режиме наброса нагрузки.
