Системи електроживлення постійної напруги електромобілів

У роботі одержані необхідні аналітичні вирази при застосуванні даного метода для управління у функції заданої швидкості, що також дає позитивні результати, і дозволяє уникнути тривалої ітераційної процедури послідовних наближень при відпрацюванні цього параметру.

Вирішена задача мікропроцесорного управління перетворювачами у СЕЖЕМ при відпрацюванні завдання напруги на якорі тягового двигуна як послідовного так і незалежного збудження для тягового та рекуперативного режимів. Доведено, що алгоритмічній реалізації підлягає така система:

, , i_я < i_{я max} ;

, , i_я < i_{я max} ;

, , i_я i_{я max} ; (31)

, , i_я < i_{я max},

де 1 означає відповідну дискретності обробки інформації одиничну зміну поточного значення параметра, що регулюється.

При цьому необхідне виконання додаткового обмеження керуючої дії, що обумовлено особливостями роботи ТАБ, а саме:

, якщо u u k_вр та u u k_нр, (32)

u - напруга АБ; k_нр та k_вр - відповідно коефіцієнт нижнього та верхнього рівня напруги АБ, що задають гранично припустимі рівні напруг батареї у тяговому (розряд АБ) та рекуперативному (заряд батареї) режимах роботи і визначаються як

k_нр = U_min / U_ном та k_вр = U_max / U_ном.

Для управління двигуном незалежного збудження у першій зоні необхідно реалізувати систему функцій (31) з урахуванням таких обмежень:

= i _{з max} r_з / u, i _{з max} = const, 0 105 ;

= - 1 при u u k_вр та u u k_нр. (33)

Для управління у 2-й зоні реалізації підлягає така система залежностей:

i < i _{я max} ;

i < i _{я max} ;

i i _{я max} ; (34)

i < i _{я max}.

Ця система має виконуватись при обов'язковому відпрацюванні обмежень для другої зони управління двигуном незалежного збудження, а саме:

при u u k_вр та uu k_нр ;

i_{з min} r_з / u k_вр i_{з max} r_з / u k_нр. (35)

Далі доведено, що використання управління перетворювачами у функції відпрацювання моменту або потужності тягового двигуна не забезпечує при двозонному управлінні повного діапазону відпрацювання параметра, що регулюється для жодного з цих варіантів. Доцільним слід вважати комбіноване управління: для першої зони (стале збудження) - у функції моменту, а для другої зони (стала напруга на якорі) - у функції потужності, що в цілому сприяє перебігу режимів з квазіенергозберігаючими ознаками. Крім того, показано, що управління у функції відпрацювання прискорення тягових двигунів слід використовувати на рівні функціональних обмежень за цим параметром у довільних режимах навантаження тягових приводів, що витікає з незначних практичних потреб у використанні такого варіанту як самостійного повнофункціонального управління перетворювачами транспортного призначення.

У пятому розділі вирішені частинні задачі управління перетворювачами у системах транспортних приводів, які здебільшого виникають у контексті головної (загальної) задачі, і можуть існувати як самостійні керуючі процедури, а в ряді випадків - навпаки, мають цільовий сенс лише як невід'ємна функціональна складова у загальній задачі управління. Це робить останню більш ефективною з точки зору розширення керуючих можливостей, підвищення загальної надійності перетворювачів за рахунок охоплення найбільш важливих вузлів додатковими контролюючими та коригуючими діями.

Оскільки двозонне управління у тягових приводах автономних транспортних засобів з двигунами незалежного збудження займає одну з провідних позицій, у роботі обґрунтовано новий спосіб двозонного управління перетворювачами транспортних електроприводів з позитивним зворотним звязком по швидкості у другій зоні. Запропоновано схемотехнічні рішення та відповідні алгоритми управління для реалізації способу як засобами мікропроцесорної техніки, так і спрощеними засобами управління на базі спеціалізованої мікроелектроніки. Доведено ефективність застосування даного способу та істотне спрощення керуючих структур необхідних для його реалізації.

Важливою складовою у задачах підвищення ефективності СЕЖЕМ є раціональна побудова механічної трансмісії. Це обумовило необхідність загального алгоритмічного вирішення задачі управління автоматичною двоступінчастою коробкою передач електромобіля з використанням МПСУ. Розроблено й апробовано алгоритм управління приводом, що містить двоступінчасту коробку передач, а за допомогою методу програмних зображень одержано аналітичні вирази для керуючих дій, які реалізуються відповідними підпрограмами у перебігу виконання головного алгоритму для переключення передач у тяговому та рекуперативному гальмівних режимах. Запропоноване рішення забезпечує максимальну швидкодію управління автоматичною трансмісією при достатній точності розрахункового визначення керуючих дій за один програмний цикл та мінімізованій покроковій процедурі компенсації розрахункової похибки.

Технічна надійність та раціональна організація управління допоміжними бортовими засобами перетворення складають необхідний підрівень заходів забезпечення загальної експлуатаційної стійкості автономних СЕЖЕМ в цілому. До найбільш важливих допоміжних перетворювачів відносяться вторинні джерела живлення та зарядні пристрої АБ, а також засоби обліку ємнісного балансу в транспортних електроприводах. Задачі управління цими пристроями здебільшого не охоплюються центральними керуючими структурами і потребують окремого ретельного вирішення. У роботі розроблено алгоритми управління та контролю стану двох типів ВДЖ (високостабілізованих ВДЖ для кіл живлення МПСУ та джерел для живлення бортмережі 12В), узагальнений алгоритм управління універсальним зарядним пристроєм АБ, а також алгоритм функціонування реверсивного лічильника ампер-годин. Крім того, з урахуванням особливостей роботи перетворювачів транспортного призначення розроблено алгоритми для формування спеціальних тягових характеристик у СЕЖЕМ з двигунами незалежного збудження, алгоритми для забезпечення максимально можливої динаміки транспортного засобу, алгоритми для підвищення стійкості та швидкодії відпрацювання завдання режимів.

Усі запропоновані алгоритмічні рішення пройшли апробацію і підтвердили на практиці ефективність та працездатність.

У шостому розділі викладено відомості про розробки мікропроцесорних систем та засобів збільшення їх продуктивності при управлінні перетворювачами у СЕЖЕМ, розглянуто МПСУ автоматизації стендових досліджень та МПСУ реверсивного лічильника ампер-годин.

Проведено детальні експериментальні стендові та їздові дослідження СЕЖЕМ з традиційним (вимірювалось споживання _трад, А^.год) та оптимізаційним управлінням (вимірювалось споживання _опт, А^.год). Стендові дослідження з вимірюванням спожитих ампер-годин для стандартних циклів SAEj 227 A-D та для усталеного руху з швидкісними еквівалентами 40 та 60 км/год виконувались при значеннях напруги, які не змінювались впродовж усього часу експериментів за рахунок використання стендової системи живлення “генератор постійного струму буферна акумуляторна батарея”. Їздові дослідження на двох електромобілях з вимірюванням спожитих ампер-годин у русі за циклами SAEj 227 A-D, у довільному міському русі при фіксованій довжині пробігу, та при усталеному русі зі швидкостями 40 та 60 км/год виконувались при ідентичному ступені початкової зарядженості тягового джерела та в ідентичних умовах розряду батареї для кожного електромобіля. Крім того, жорстко дотримувались вимоги до знаходження напруги ТАБ у фіксованому (примусово звуженому) експлуатаційному діапазоні, що забезпечило повторюваність та вірогідність одержаних результатів. Для всіх експериментів розраховувався відносний показник - коефіцієнт використання ємності, %:

K_Q = (_трад - _опт)/ _трад,

тобто збільшення ефективності корисних витрат ємнісного ресурсу тягової батареї, а також показник питомих енерговитрат для спожитої ємності батареї _АБ, даної напруги живлення U_ср та пробігу S електромобілів, кВт. год/км:

W = Q_АБ U_ср / S,

які є найбільш інформативними факторами для порівняльних оцінок.

Встановлено, що з міських циклів руху SAEj 227 A-D найбільш прийнятними для електромобілів є цикли B та C, яким відповідає швидкісний діапазон 30-50 км/год. Збільшення коефіцієнту використання ємності K_Q при застосуванні оптимізаційного управління сягає в середньому 15% у циклічному русі, 5% в усталеному русі та 18% у довільному міському русі. Зменшення питомих енерговитрат становить 17% у циклічному русі та 21% у довільному міському русі для задіяних у дослідженнях електромобілів. При цьому усереднені показники питомих енерговитрат при застосуванні оптимізаційного управління становлять для вантажопасажирського ВАЗ-2801 та пасажирського ЗАЗ-11091 електромобілів відповідно 0,22 та 0,20 кВтгод/км для циклічного руху; 0,18 та 0,12 кВтгод/км для усталеного (40 км/год) руху та 0,17 і 0,15 кВтгод/км для довільного міського руху.

Характеристики розроблених систем управління тяговими та допоміжними перетворювачами транспортного призначення наведені у табл. 2.

У роботі також систематизовані рекомендації по застосуванню результатів досліджень та розробок для потреб автономного електротранспорту різного функціонального призначення.

У додатках наведені необхідні графічні матеріали, прикладні програми для МПСУ лічильника ампер-годин, для МПСУ тиристорним та транзисторним перетворювачами СЕЖЕМ, а також документи про випробування та впровадження розробок за результатами дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

транспортний електропривод енергетичний експлуатаційний

В дисертаційній роботі розроблено теоретичні положення, спрямовані на створення, узагальнення та наукове обґрунтування методів, способів та технічних засобів управління перетворювачами постійної напруги, що у сукупності забезпечує розв'язання значної прикладної проблеми - підвищення енергетичної та експлуатаційної ефективності систем електроживлення електромобілів різного функціонального призначення.

1. Проведено порівняльний аналіз існуючих методів дослідження та засобів управління у системах електроживлення електромобілів, зорієнтованих на підвищення ефективності останніх. Показано необхідність вирішення у взаємозвязку задач оптимальної побудови систем електроживлення електромобілів, здійснення раціонального енергообміну в них та створення ефективних систем управління для тягових та допоміжних перетворювачів, що забезпечує зменшення енергоспоживання, питомих енерговитрат, збільшення корисного пробігу, покращення, надійнісних та ергономічних показників електромобілів.

2. Запропоновано метод забезпечення гарантованої ефективності систем електроживлення електромобілів, що дозволяє, минаючи громіздкі розрахунки, оптимально підбирати компоненти для побудови таких систем, а також давати вірогідні експертні оцінки існуючим системам, спираючись на одержані конкретні співвідношення фізичних параметрів їх складових компонентів.

3. Виконано теоретичні та експериментальні дослідження загального балансу енергії у системах електроживлення ЕМ для різних режимів руху, визначено конкретні показники енергообміну, а також чинники негативного впливу на енергообмінні процеси у системах електромеханічного перетворення енергії електромобілів. Це дозволило сформулювати низку конкретних додаткових вимог до компонентів систем електроживлення ЕМ, що забезпечує їх ефективне функціонування.

4. Обґрунтовано метод “програмних зображень”, який дозволяє формалізувати та прискорити обчислювальні процедури по визначенню керуючих дій, що відповідають новому стану режимних задатчиків. Метод забезпечує вірогідність кінцевого результату, дозволяє одержати розрахункові залежності для керуючих дій у вигляді, що безпосередньо підлягає обчисленню стандартними підпрограмами у МПСУ з мікропроцесорами різних поколінь.

5. Виконано узагальнюючі дослідження можливостей формалізації задач управління у системах електроживлення електромобілів, що дозволяють здійснювати управління перетворювачами цих систем у функції відпрацювання струму, напруги, потужності, моменту, швидкості та прискорення. Одержано відповідні залежності для керуючих дій з виконанням певних режимних обмежень, визначено межі доцільності застосування кожного з зазначених підходів до управління.

6. Запропоновано та обґрунтовано спосіб та засоби реалізації двозонного управління перетворювачами у системах електроживлення електромобілів з позитивним зворотним зв'язком по швидкості. Проаналізовано усі можливі варіанти реалізації даного способу та показано шляхи вирішення задачі управління тяговими приводами при його здійсненні, що істотно спрощує загальну алгоритмічну задачу та апаратні засоби її реалізації.

7. На основі системного аналізу досліджені залежності ККД тягових і допоміжних бортових перетворювачів від параметрів управління та обґрунтовано загальний підхід до визначення законів управління ними, що забезпечує найбільш раціональні режими роботи системи електроживлення електромобілів в цілому і складає основу для побудови оптимізаційного алгоритмічного забезпечення.

8. Створено мікропроцесорні засоби оптимізаційного управління, досліджено режимно-функціональні особливості роботи тягових та допоміжних бортових перетворювачів та створено спеціалізовані модулі та ефективні мінімізовані алгоритми управління ними, що дозволяє забезпечити формування спеціальних тягових характеристик, збільшення швидкодії відпрацювання завдання, поліпшення динамічних показників електромобілів та стійкості виконання керуючих алгоритмів. Сукупність цих заходів забезпечує електромобілям більшу енергоефективність, ергономічність та надійність у порівнянні з існуючими.

9. Обґрунтовано концепцію та створено алгоритми, програми та відповідні засоби обліку ємності тягових, стаціонарних та буферних акумуляторних батарей, що зробило можливим контроль їх поточного стану, визначення абсолютних та питомих показників споживання та витрат енергії у транспортних системах за умов довільного перебігу енергообмінних процесів.

10. Проведено комплексні експериментальні дослідження та порівняльний аналіз систем управління тяговими перетворювачами з традиційним та оптимізаційним алгоритмічно-програмним забезпеченням, на основі яких встановлено, що останні дозволяють збільшити коефіцієнт використання ємності бортової акумуляторної батареї в середньому на 15% у режимах реального циклічного руху в умовах міста, на 5% в усталеному русі та на 18% у довільному міському русі, що є безпосереднім підтвердженням вірогідності одержаних у роботі науково-прикладних результатів.

11. Результати виконаних в дисертації теоретичних досліджень і практичних розробок знайшли застосування на автономному електротранспорті різного призначення (електромобілі, електрокари, електронавантажувачі, електровізки, електроцикли) шляхом впровадження мікропроцесорних та спрощених засобів управління тяговими та допоміжними перетворювачами, засобів контролю стану тягових джерел струму (лічильники ампер-годин), а також засобів автоматизації стендових досліджень тягового електрообладнання.

12. Сформульовані в дисертації наукові положення, рекомендації та висновки є достатньо обґрунтованими та вірогідними, оскільки базуються на коректних теоретичних дослідженнях, виконаних відносно доцільно поставлених задач, а також на значному обємі експериментальних даних та позитивних результатах випробувань та промислового застосування.

13. Результати досліджень доцільно використовувати у такій важливій для України галузі як створення, розвиток та переоснащення вітчизняного парку автономного електротранспорту різного цільового призначення з метою забезпечення йому сучасних рівнів техніко-економічних показників.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Полупроводниковые преобразователи в автономном электроприводе посто- янного тока / Павлов В.Б., Шидловский А.К., Скиданов В.М., Рычков В.А.- К.: Наукова Думка, 1987. - 284 с.

2. Волков И.В., Павлов В.Б., Скиданов В.М., Юрченко О.Н. Концепция и средства контроля емкости аккумуляторных батарей // Технічна електродинаміка.- 1998.- №3.- С.33-36.

3. Волков И.В., Павлов В.Б., Скиданов В.М., Юрченко О.Н. Реверсивный счетчик ампер-часов для стационарных и тяговых аккумуляторных батарей // Технічна електродинаміка.- 1998.- №3.- С.32.

4. Овчаренко А.А., Юрченко О.Н., Скиданов В.М., Павлов В.Б., Рычков В.А. Анализ работы транзисторного импульсного преобразователя // Техническая электродинамика.- 1994.- №2.- С.42-45.

5. Павлов В.Б., Скиданов В.М., Рычков В.А. Электромобиль. Технический и эксплуатационный аспекты // Промышлен. транспорт.- 1987.- №10.- С.11-12.

6. Павлов В.Б., Скиданов В.М. Украинский электромобиль // Машинобудування України. - 1995. - №3. - С.17-19.

7. Павлов В.Б., Скіданов В.М., Юрченко О.М. Спосіб двозонного управління перетворювачами у транспортних електроприводах з позитивним зворотним зв'язком по швидкості // Технічна електродинаміка.- 1998.- №6.- С.34-38.

8. Рычков В.А., Павлов В.Б., Скиданов В.М., Юрченко О.Н., Овчаренко А.А. Эффективный преобразователь для низковольтного электротранспорта // Энергетика и электрификация.- 1992.- №4.- С.49-51.

9. РычковВ.А., Овчаренко А.А., Юрченко О.Н., Павлов В.Б., Скиданов В.М. Низковольтный импульсный преобразователь напряжения // Техническая электродинамика.- 1993.- №4.- С.27-31.

10. Скиданов В.М. Определение параметров оптимального управления преобразователем в автономных тяговых приводах постоянного тока. // Техническая электродинамика.- 1985.- №5.- С.56-61.

11. Скіданов В.М. Метод безпосереднього визначення параметрів управління напівпровідниковими перетворювачами у функції струму навантаження у тягових електроприводах постійного струму // Технічна електродинаміка.- 1997.- №2.- С.22-26.

12. Скіданов В.М. Управління напівпровідниковими перетворювачами транспортних електроприводів у функції заданих напруги та швидкості тягового двигуна постійного струму // Технічна электродинаміка.- 1997.- №3.- С.18-24.

13. Скіданов В.М. Метод визначення гарантованої ефективності автономних транспортних електроприводів за статичними константами їх складових компонентів // Технічна електродинаміка.- 1997.- №6.- С.21-28.

14. Скіданов В.М. Особливості застосування управління транспортними перетворювачами у функції відпрацювання моменту, потужності та прискорення обертів тягового двигуна // Технічна електродинаміка.- 1999.- №1.- С.43-45.

15. Шидловский А.К., Скиданов В.М., Денисенко А.В., Литвиненко В.Г. Энергетические показатели системы АБ-ИП-ДПТ электромобиля в режиме рекуперативного торможения. // Технич. электродинамика.- 1984.- №5.- С.30-37.

16. Шидловский А.К., Юрченко О.Н., Скиданов В.М., Павлов В.Б. Энергетические показатели высоковольтных транзисторных импульсных регуляторов постоянного напряжения // Технич. электродинамика.- 1989.- №2.- С.19-24.

17. Шидловский А.К., Скиданов В.М., Павлов В.Б., Юрченко О.Н. Энергетические показатели систем автономного электропривода с комбинированным широтно-импульсным регулятором // Техническая электродинамика.- 1989.- №3.- С.31-37.

18. Шидловский А.К., Юрченко О.Н., Скиданов В.М., Павлов В.Б. Анализ энергетических показателей источника вторичного электропитания для низковольтных потребителей транспортных средств // Техническая электродинамика.- 1989.- №4.- С.27-31.

19. Шидловський А.К., Скіданов В.М., Павлов В.Б., Юрченко О.М. Дослідження ефективності рекуперативного гальмування електромобіля // Технічна електродинаміка.- 1998.- №1.- С.22-30.

20. Шидловський А.К., Павлов В.Б., Скіданов В.М., Юрченко О.М. Концепція побудови автономних транспортних систем енергоживлення з засобами силової електроніки // Технічна електродинаміка. Спеціальний випуск 2. - 1998.- Т.2.- С.47-50.

21. А.с. 1576373 СССР, МКИ B 60 L 15/08. Устройство для управления тяговым электродвигателем постоянного тока независимого возбуждения / Шидловский А.К., Павлов В.Б., Скиданов В.М., Юрченко О.Н. (СССР).- №4435600/27; Заявлено 02.06.88; Опубл. 07.07.90, Бюл. №25.- 3с.

22. А.с. 1610587 СССР, МКИ H 02 P 5/16. Электропривод постоянного тока / Павлов В.Б., Рычков В.А., Скиданов В.М., Юрченко О.Н. (СССР).- № 4611066/24; Заявлено 31.10.88; Опубл. 30.11.90, Бюл. №44.- 3с.

23. А.с. 1653116 СССР, МКИ H 02 P 5/16. Устройство для управления электродвигателем постоянного тока / Павлов В.Б., Скиданов В.М., Юрченко О.Н., Андрияшев А.В. (СССР).- №4702733/07; Заявлено 06.06.89; Опубл. 30.05.91, Бюл. №20.- 3 с.

Размещено на Allbest.ru