Содержание к диссертации
Введение
Глава I Анализ информации по пробегам автомобилей и электромобилей и их эксплуатационная надежность 11
1.1 Режимы работы автомобилей грузоподъемностью до 1 т и электромобилей 11
1.2 Эксплуатационная надежность электромобилей 18
1.3. Цели и задачи исследования 38
Глава 2 Разработка методов диагностирования электрооборудования тягово-транспортных средств с комбинированной энергоустановкой 41
2.1 Алгоритм проверки работоспособности и поиска неисправностей системы регулирования привода 41
2.2 Оптимизация режима функционирования привода в процессе диагностирования 58
2.3, Выводы по главе 2 65
Глава 3. Разработка методики диагностирования аккумуляторной батареи ...66
3.1 Методика текстового диагностирования тяговой аккумуляторной батареи .66
3.2 Разработка методик и алгоритмов определения значений диагностических параметров 94
3.3 Выводы по главе 3 104
Глава 4. Экспериментальные исследования 105
4.1 Экспериментальное определение зависимостей параметров схемы замещения и диагностических параметров аккумуляторов от эксплуатационных факторов 105
4.2 Методика тестового диагностирования транзисторно-импульсного преобразователя электромобилей с комбинированной энергоустановкой . 111
4.3. Выводы по главе 4 120
Общие выводы 121
Список использованных источников 122
- Эксплуатационная надежность электромобилей
- Оптимизация режима функционирования привода в процессе диагностирования
- Разработка методик и алгоритмов определения значений диагностических параметров
- Методика тестового диагностирования транзисторно-импульсного преобразователя электромобилей с комбинированной энергоустановкой
Введение к работе
Актуальность работы - Исследование режимов работы электропривода в настоящее время находит широкое применение в сельском хозяйстве. Оптимизация параметров и режимов работ тягово-транспортных средств (ТТС) с комбинированными энергоустановками (КЭУ) имеет множество решений, так как соответствует разнообразным сочетаниям энергоемкости аккумуляторной батареи и мощности элементов электропривода. Математическая модель электромобиля (ЭМ) с КЭУ должна обеспечивать возможность исследования отмеченных параметров различных вариантов КЭУ в рамках заданных структурной схемы электропривода с учетом условий движения электромобиля.
Новизна и малоизученность рабочих процессов в ТТС с КЭУ и их эксплуатационных свойств (в том числе токсичности ДВС), требует проработки вопросов, связанных с их моделированием и диагностированием.
Начало внедрение электромобилей в систему автомобильных перевозок определяет актуальность разработки методик и систем технического диагностирования электромобилей с комбинированной энергоустановкой.
Цель работы — повышение надежности тягово-транспортных средств с комбинированной энергоустановкой.
Объект исследования - система тягового электропривода тягово-транспортных средств с комбинированной энергоустановкой, аккумуляторная батарея, емкостной накопитель энергии.
Методы исследования. Поставленные в диссертационной работе . задачи решались с использованием методов теории управления, математической статистики и моделирования. Основные теоретические результаты сопоставлялись с данными экспериментального исследования на реальном ТТС с КЭУ и лабораторном стенде.
Научная новизна. Система повышения технико-эксплуатационных показателей и эксплуатационной надежности тягово-транспортных средств с комбинированной энергоустановкой.
Практическая ценность. По результатам теоретических исследований разработана инженерная методика диагностики и поиска неисправности систем КЭУ.
Полученные в результате исследования статистические параметры позволяют установить степень надежности использования элементов тягового электропривода с комбинированной энергоустановкой.
Полученные результаты позволяют правильно выбрать параметры системы диагностики систем КЭУ при проектировании тягово-транспортных средств с КЭУ.
Реализован макетный образец системы диагностики буферного накопителя энергии КЭУ.
Реализация результатов работы. Предложенные автором алгоритмы управления приняты к реализации. Конкретные положения диссертационной работы нашли применение в опытно-конструкторских разработках.
Публикации. Результаты исследования опубликованы в 4 научных статьях, 1 книге.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы, изложена на 135 страницах машинописного текста, включая 42 рисунка, 14 таблиц и библиографический список из 120 наименований.
Эксплуатационная надежность электромобилей
В данном разделе на основании сбора и обработки информации об опытной эксплуатации различных моделей аккумуляторных электромобилей (ЭМ) в РФ, США, Канаде, Англии, ФРГ и Японии анализируются некоторые показатели надежности и определяются наиболее типичные неисправности систем электрооборудования ЭМ.
Для характеристики надежности ЭМ в целом и его электрооборудования в отдельности не выработано единой системы оценок. В литературе существует большое число весьма разнородных показателей, по которым оценивают надежность, контролеспособность и ремонтопригодность систем ЭМ разработчики, испытательные центры и эксплуатирующие организации. Из всего множества таких показателей можно выделить наиболее типичные, к которым в основном сводится вся публикуемая информация Sep - средняя наработка на отказ одного ЭМ, находящегося в постоянной эксплуатации (км); Тср - средняя наработка на отказ в рабочих днях; ТАК средний срок службы комплекта тяговых аккумуляторных батарей (ТАБ) ЭМ (в рабочих днях или в циклах заряд-разряд); тр - время простоя ЭМ в текущем ремонте (ТР) для устранения одной неисправности; т0 - время простоя ЭМ в плановом техническом обслуживании (ТО); К, - коэффициент технической готовности эксплуатирующегося парка ЭМ (за год) Kr_T-CLrp + TJ т где Т - общее количество рабочих машино-дней в году; Тр - сумма потерь времени на ТР всех ЭМ; 2Х - сумма потерь времени на ТО всех ЭМ;
Кроме того, к важнейшим показателям относится статистика распределенная отказов по различным системам и узлам электрооборудования ЭМ (выделение наиболее и наименее надежных элементов).
В РФ имеются некоторые данные по надежности ЭМ, проходящих эксплуатационные испытания в г. Москве (Автокомбинат №34) 121 - /8/. До 1982 г. парк эксплуатирующихся ЭМ составляли, в основном, машины переменного тока с тяговым асинхронным частотиоуправляемым приводом моделей У-131, УАЗ-451МИ, УАЗ-3801, создание на базе малотоннажного автомобиля УАЗ-451ДМ. ЭМ УАЗ-3801 имеет моделированную ходовую часть с применением элементов подвески и шасси от автомобиля ГАЗ-24. Тяговый привод указанных ЭМ идентичен и отличается, в основном, компоновкой блоков и применением различных типов датчиков скорости (для систем автоматического регулирования) и электродвигателей систем вентиляции и охлаждения.
С 1982 года на автокомбинате №34 начала эксплуатироваться ЭМ постоянного тока модели ЕрАЗ-37341. В 1984 г. началась регулярная эксплуатация на маршрутах такси пассажирских электробусов РАФ-2210, а также фургонов особо малой грузоподъемности Ваз-2801. В настоящем разделе анализируется надежность только ЭМ переменного тока (УАЗ) и ЭМ постоянного тока ЕрАЗ-37341.
В 1982 году для девяти ЭМ УАЗ-451 МИ, находящихся в постоянной интенсивной эксплуатации на обслунсивании торговых предприятий, были получены следующие средние годовые показатели /6/: Sep = 626 км; ТАБ = 3, 2 месяца; тр = 2, 2 дня, ТР 206 дней (только для ремонта электрооборудования); Тер = 23,4 дня.
Следует отметить, что в табл. 1.7. не отражены отказы ТАБ, которые будут проанализированы отдельно ниже, а также неисправности системы рекуперативного торможения, весьма частые, но трудно учитываемые, т.к. не выводят ЭМ из работоспособного состояния, (водители пользуются гидравлической системой торможения и не останавливают ЭМ на ремонт электрических тормозов).
В табл. 1.7, приведены также приближенные времена поиска тп возникших неисправностей (в условиях автокомбината №34) и общее время текущего ремонта тр. Общее время ремонта складывается из времени поиска тп и времени замены отказавшего элемента (тиристора, разъема панели управления, ТЭД и т.д.). Подготовительно-заключительное время, которое определяется сложившейся структурой системы ремонта электрооборудования и снабжения запасными запчастями, не учитывалось. В отдельных случаях (отсутствие запасных частей, специального инструмента или контрольно-измерительных приборов) это время превышало время Тр в несколько раз.
Из табл. 1.7. следует, что основную массу неисправностей (53,8%) даже без учета отказов ТАБ, составляют отказы силовой части электропривода: пробои тиристоров, диодов, коммутирующих конденсаторов, обрыва дросселей, автономного инвертора напряжения; нарушение контактов или пробой изоляции в силовых разъемах, выхода из строя ТЭД (в основном межвитковые замыкания в статорных обмотках в связи с перегревами); неисправности силовых автоматических выключателей защиты ТАБ (используются и для оперативных отключений электрооборудования) и перегорание плавкой вставки в связи с короткими замыканиями в цепи до силового автомата (или при неисправном автомате).
Общая эксплуатационная надежность парка ЭМ переменного тока характеризуется следующими данными по простоям в текущем ремонте за 5 лет эксплуатации /2/-/8/ (табл. 1.8.).
Из табл. 1.8. следует, что коэффициент технической готовности в парке ЭМ переменного тока в среднем за 5 лет эксплуатации составил Кг - 0,58. Этот коэффициент для парка аналогичных автомобилей равен приблизительно 0,85-0,9. В среднем около 60% простоев приходится на ремонт и ТО систем электропривода, причем значительную часть времени составляют простои из-за отсутствия запасных частей, а также время на поиск неисправностей в системе электропривода.
Оптимизация режима функционирования привода в процессе диагностирования
При решении задачи проверки работоспособности тягового электропривода КЭУ большое значение имеет правильный выбор режимов его функционирования, обеспечивающих максимальную чувствительность диагностических параметров к неисправностям системы.
В режиме 2 (основной тяговый режим) проверка работоспособности может производиться без разрыва цепей отрицательных обратных связей (выходы Z37 и Z29 на рис. 2.1.). Система управления на этапе разгона КЭУ осуществляет регулирование выходного напряжения тиристорного импульсного преобразователя (ТИП), стабилизируя ток якоря двигателя (тяговый момент М).
В линейном приближении структурная схема привода в этой зоне может быть представлена в виде, изображенном на рис. 2.5., где обозначено: Оз - напряжение задания; ur- напряжение датчика тока якоря; Ди - сигнал рассогласования; Ку - коэффициент усиления системы управления; т- запаздывание системы управления; Y - коэффициент модуляции выходного напряжения ТІШ; Кп - коэффициент преобразования ТИП; иБ - напряжения тяговой аккумуляторной батареи; ип - напряжение на выходе преобразователя; Eq- противо-ЭДС двигателя; и,- - падение напряжения на активном сопротивлении Гл якорной цепи; Т0 = LK/ГЖ - постоянная времени якорной цепи; ТХ! = т / (2Ъ - электромеханическая постоянная времени; J - момент инерции КЭУ, приведенный к валу двигателя; ic- ток, определяемый статической нагрузкой; iC] - динамическая составляющая тока двигателя; Кг- коэффициент преобразования датчика тока двигателя; Сі, С2, Сз, С4 - постоянные коэффициенты; Сі = 1/гя С2 = См Ф/Т, Сз = Се Ф, С4 = 1/См Ф, Мс - статический момент сопротивления, проведенный к валу двигателя. Для оценки влияния неисправностей различных элементов структурной схемы на измеряемые сигналы воспользуемся линейной моделыо привода.
Примем следующие допущения: 1. Диапазон изменения тока двигателя і и длительность процесса диагностирования таковы, что можно пренебречь изменением напряжения UB QJE const). 2. Система управления ТИП в режиме диагностирования осуществляет линейное преобразование сигнала задания в скважность у (Ку = const). 3. Чистое запаздывание системы управления Т намного меньше постоянной времени электродвигателя и его можно не учитывать (t = 0). Тогда вся система привода ЭМ в целом может быть описана линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами КУ +оп_Уч +- + «іР + аоЖО = ( +K,-iP"! ] +- + blp + ba)u,(t) + КА + ск-\Рк [ + W + с0)МД0 где р = — оператор дифференцирования. dt
Для получения диагностической модели воспользуемся методами теории идентификации /24/. Разрешим (2.1) относительно toft): 0)(0 = -- Р"Й)(0---—рю(0 +—Р "Щ(І) + ... +—W) + + іф)+ pKMc{t)+ - + — рмдо+—Me(t) Обозначим: jf-r-5L._5!zL. . іА. ч. AA.fk.fV±. -fL.fLl = «o aa a a ao ao aa aa an aa an = _Л.[,Л25Л(-,....Лз_, где S= n + m + K + 2 - транспонированный вектор - столбец коэффициентов модели (2.2) 5(/)-[/?"й(0,р "1 (/),...,рй(/),рим3(/)5...,/ ДО:Ц(О Х(0г-.!М[.(О] - вектор-столбец (транспонированный) измерений. Тогда модель (2.2) запишется в виде скалярного произведения a(t) = KS(tl (2.3) где Щ) - реализация выходного сигнала диагностической модели.
Предположим, что техническое состояние привода ЭМ определяется множеством определяющих параметров Л: Л = {АЛ; Л2,..., Х\, ..., А с}. При Х} = Х)Н привод находится в номинальном режиме. Величина коэффициентов К; и выходной сигнал 5(/) зависит от X], т.е. a(t,A) = K(t,A)-S(t) (2.4) Степень влияния параметров Xj на у(;,Л) можно оценить с помощью теории чувствительности /25/. Обозначим функцию чувствительности 1-го коэффициента модели к изменению] -го структурного параметра как: nJ = . ПРИ h=h тогда S - мерная вектор-функция чувствительности вектора коэффициентов К(1, Л) к вариациям] -го параметра представится в виде
Функция чувствительности Rjg формируются в матрицу чувствительности, которая имеет вид: Г\\Г\2—Г\1 л r2]f22—r2k (2.5) .Г1\Г12",Г31. Условием диагностируемое объекта по вектору измерений S(t) является линейная независимость всех попарных сочетаний столбцов матрицы чувствительности RA /25/. В случае линейной зависимости какой-либо пары столбцов необходимо введение соответствующих дополнительных контрольных точек.
Разработка методик и алгоритмов определения значений диагностических параметров
Для определения диагностических параметров в форме коэффициентов дифференциального уравнения (3.15) воспользуемся методом модулирующих функций /40/, который позволяет исключить в процессе диагностирования измерение производных входного и выходного сигналов.
Умножим исходное уравнение динамики (3.15) на модулирующую функцию Фп(1;) = sin 0)nt и проинтегрируем полученное уравнение на интервале [О, Тп] где Тп = х/С0п.
Значение іи(0) соответствует максимальному значению тока в первый момент подключения нагрузки. В этом заключается учет скачкообразного изменения начальных условий, который позволяет в выражении (3.23) опустить слагаемое, содержащее дельта-функцию 6(t).
Для нахождения коэффициентов mi необходимо иметь шесть модулирующих функций Фп(т). Тогда выражение (3.26) можно рассматривать как систему шести алгебраических уравнений с шестью неизвестными (n = 1,6), которая имеет единственное решение при условии, что определитель матрицы Л системы detA = р рР Р (3.28) Условие (3.28) совпадает с условием наблюдаемости, выполнение которого, как отмечено. Зависит от характера нагрузки ZH. Реально ZH кроме активной составляющей может иметь индуктивную и емкостную. Кроме того, все ее параметры могут изменяться во время теста (например, в связи с нагревом большими разрядными токами). Поскольку характер нагрузки и ее точное аналитическое описание заранее, как правило, неизвестны, наиболее оптимальным является использование обобщенной (в смысле ZH ) динамической модели (3.28) при совместной обработке входного iH(t) и выходного Au,.,(t) сигналов.
В предлагаемой методике после формирования матрицы коэффициентов системы (3.28) необходимо проверить линейную независимость всех ее столбцов. Предположим, что все элементы столбца j пропорциональны соответствующим элементам столбца і с коэффициентом Ри, т.е. Vn Pni/Pnj=pij(Lij=f6;i j).
В этом случае матрица системы (3.28) является вырожденной. Новая система уравнений формируется следующим образом: значение параметра mi принимается равным mi+p ijmi; столбец j и последняя строка матрицы А вычеркиваются; формируется новая система п-lc п-1 неизвестными. Процесс повторяется до тех пор, пока на очередном шаге не будет обнаружено ни одной пары линейно зависимых столбцов, т.е. будет выполняться условие dctA O.
Рассматриваемая диагностическая задача может быть решена с помощью ПК. Для согласования с ней непрерывных сигналов i„(t) и Auu(t) могут быть использованы аналого-цифровые преобразователи. Блок-схема алгоритма определения диагностических параметров mi представлена на рис. 3.10.
На первом шаге формируются массивы исходных данных с периодом дискретизации D: тока I(N) и напряжения U(N), где N - число дискрет за время ти, NNxu/D. Вводятся также: шо, іно и массив из шести значений интервалов наблюдений тп (n = 1,6).
На втором шаге по подпрограммам 1 и 2 вычисляются значения четырех входящих в (3.27) интегралов по формуле Симпсона Тп \ AU„(t)SmwJdt = WSU(n) = а Л »-г Z [U(y)Sin(nD v I Т(п)) + 4U(y + \)Sin(nD{v +1) / Т(п)) + U(v + 2)Sin{nD{v + 2)iT{ri))]D 13; Гп j AU OCoseaJdt = INSU(n) = о 2[U(y)Cos(xDv /T(n)) + 4U(v + l)Cos(nD(v + \)IT(n)) + V(v + 2)COS(TTD(V +2)/T(n))]ZJ/3; (3.29) где Nn=T(n)/D - число дискрет на интервале наблюдения Т(п).
Два интеграла, в которые входят I(v) (INSI и INC.I) вычисляются по аналогичным формулам.
Далее по формулам (3.27) вычисляются значения (3.26) Pni и. Расчеты повторяются в цикле от п = 1 до n = 6 для шести модулирующих функций SinCOnt. После получения массивов значений Pni, Qn формируется матрица коэффициентов системы размерностью 6x6 и вектор свободных членов.
При наличии линейно зависимых столбцов I и j подпрограмма 5 определяет значение (3ij, и j. Если все столбцы линейно независимы, то j = 0. Затем происходит формирование новой матрицы размерности (n-1) х (п-1) путем вычеркивания j -го столбца и л -й строки. Процедура повторяется в цикле до получения j=0. Все коэффициенты 3ij, с помощью которых происходит формирование структуры новых диагностических параметров, выводится на печать или на экран дисплея.
После формирования на последнем шаге невырожденной матрицы Л и вектора свободных членов Q по подпрограмме 6 решения системы линейных уравнений находятся диагностические параметры mt (1=\ ,К).
Методика тестового диагностирования транзисторно-импульсного преобразователя электромобилей с комбинированной энергоустановкой
Для построения логической диагностической модели транзисторного преобразователя необходимо оформить три фиксированных множества /11/, /13/: S fSij, j = \,п - множество всех возможных попарно различных технических состояний. В это множество могут входить состояния, связанные как с одиночными, так и кратными неисправностями в преобразователе. Л={ж}}, j = \m - множество всех допустимых проверок (использующих динамические характеристики схемы ТИП). Ф = {фу} -множество результатов проверок TTJ при всех возможных технических состояниях Si.
Множество неисправностей S формируется на основе изучения отказов конкретных типов преобразователей. Для практических целей с большой степенью вероятности можно считать, что в множество S входят все однократные неисправности элементов ТИП, а также некоторые кратные, связанные, в основном, с групповым пробоем вентилей и силовых конденсаторов схемы.
Тестовый сигнал на входе модели представляется в виде u(t)= U0l(t), где U0 - амплитудное значение напряжения, которое выбирается в зависимости от класса вентилей. Введем в рассмотрение две группы проверок;
1. Проверка ж" реакции схемы ТИП i(t) на воздействие u(t) за время, определяемое зарядно-разрядными процессами в коммутирующих конденсаторах (обычно большой емкости - несколько сотен микрофарад). Возможный характер переходных процессов при этом в зависимости от технического состояния Si изображен на рис.4.9а.
Максимальный ток в контрольной цепи при этом ограничивается внутренним сопротивлением тестового генератора гт и для короткого замыкания в схеме ТИП равен 1ШХ = Ц/гт . Минимальный ток Train определяется большими обратными сопротивлениями исправных диодов и закрытых тиристоров, а также сопротивлением изоляции заряженных конденсаторов. При этом Imax » Imin. Определим результаты срс проверок ж) следующим образом: 1 при i(() I min рс =іОприi(t)){ /min -1 при / max i(t))I min
Очевидно, что кривая 1 из рис.4.9а соответствует практически обрыву контролируемой цепи, кривая 2 - короткому замыканию, кривая 3 - заряду конденсаторов с пониженным сопротивлением изоляции («утечкой»), кривая 4 - нормальному заряду конденсатора. Характерные времена переходных процессов зависят от рабочих токов Imax, т.е. сопротивления гти составляют от единиц до десятков миллисекунд.
2. Проверка я- реакции схемы ТИП i(t) на воздействие u(t) за время, определяемое переходными процессами в индуктивностях цепей (сглаживающие и коммутирующие дроссели и т.д.).
Проверка J являются вспомогательными и различают только те неисправности из множества S, которые не различаются проверками к). Их чувствительность к неисправностям определяется максимальной разностью координат переходных процессов (рис.4.9,6) в цепи в отсутствии и при возникновении дефектов. Величина Лі жг& зависит только от относительного изменения индуктивности цепи 8L = — и не зависит от ее первоначального значения
Для увеличения чувствительности необходимо использовать минимальное сопротивление rT , т.е. использовать максимальные рабочие токи.
Сформированное множество проверок, таким образом, является объединением двух типов проверок П = {тс]} U {%1}. Мощность множества П определяется числом контрольных точек. Поскольку задачей является разработка диагностической модели, максимально использующей внешние разъемы ТИП, то на первом этапе в качестве контрольных точек используются только клеммы этих разъемов. При воздействии тестового напряжения u(t) одновременно через разъем управления Ху может быть подан управляющий импульс на открытие одного или нескольких транзисторов схемы.
Располагая множествами SJT, и An можно использовать диагностическую модель ТИП в форме таблицы функций неисправностей /11/, /3/. Получение совокупности проверок, образующих минимальный диагностический тест Т, основано при этом на известных методах построения и анализа таблиц покрытий /12/, /13/. Эти методы позволяют также исследовать контролеспособность объекта, т.е. решить вопрос о глубине диагностирования ТИП с использованием внешних разъемов.
Проведенный анализ показал, что контролеспособность основных известных схем преобразователей для ЭМ как постоянного так и переменного тока с использованием разработанной методики достаточно высока. Однако в схемы наиболее конструктивно сложных ТИП для различения некоторых неисправностей необходимо вводить дополнительные контрольные точки. Их выбор определяется максимальной доступностью и удобствами подключения без разборки электрической схемы. Такими точками могут быть катодные выводы транзисторов, открытые клеммные соединения коммутирующих конденсаторов, дросселей, контакторов, к которым диагностический кабель может подключаться с помощью зажима типа «крокодил».
