Системи електроживлення постійної напруги електромобілів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут електродинаміки

автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Спеціальність - 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи

Системи електроживлення постійної напруги електромобілів

Скіданов Володимир Михайлович

Київ - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у відділі № 2 Інституту електродинаміки Національної Академії наук України, м. Київ

Науковий консультант - академік НАН України, доктор технічних наук, професор Шидловський Анатолій Корнійович, Інститут електродинаміки НАН України, директор.

Офіційні опоненти:

- академік НАН України, доктор технічних наук, професор Півняк Геннадій Григорович, Національна гірнича академія України Міністерства освіти України, м. Дніпропетровськ, ректор;

- доктор технічних наук, професор Долбня Віктор Тимофійович, Харківський Державний політехнічний університет Міністерства освіти України, професор кафедри;

- доктор технічних наук, професор Корчемний Микола Олександрович, Український НДІ механізації та електрифікації сільського господарства Української академії аграрних наук, м. Київ, завідувач відділом.

Провідна установа - Національний технічний університет України “КПІ” Міністерства освіти України, м. Київ, кафедра промислової електроніки.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.С. Федій

Анотація

електромобіль енергообмін перетворювач

Скіданов в.м. Системи електроживлення постійної напруги електромобілів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи. - Інститут електродинаміки НАН України, Київ, 1999.

Дисертація присвячена проблемі підвищення енергетичної та експлуатаційної ефективності автономного електротранспорту (електромобілі, електрокари, електроцикли, тощо). Розроблені теоретичні положення системного аналізу транспортних електроприводів та оптимальної побудови транспортних систем електроживлення. Досліджено баланс енергообміну у цих системах та сформульовані вимоги до їх складових компонентів. Для застосування мікропроцесорних систем управління створено та узагальнено формалізовані підходи для прискореного визначення керуючих дій при управлінні тяговими перетворювачами у функції відпрацювання струму навантаження, швидкості, напруги, потужності, моменту та прискорення. Доведено збільшення ефективності енергоспоживання (до 18%) при застосуванні запропонованих засобів управління. Основні результати роботи впроваджені на серійних та дослідних зразках акумуляторного електротранспорту.

Ключові слова: електромобіль, ефективність, електропривод, енергообмін, мікропроцесорна система управління.

Annotation

Skidanov V.M. Electric vehicles direct voltage power supply systems. - Manuscript.

Thesis for a doctors degree by speciality 05.09.03 - the electrotechnical complexes and systems. - The Institute of Electrodynamics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 1999.

Dissertation is devoted to problem of energetical and operational efficienсy improvement of autonomous electric transport (electric vehicles, electric cars, electrocycles, etc.). Developed theoretical regulanions of system analysis of transport electric drives and optimum construction of transport power supply systems. Explored the balance-sheet of energy interchange in these systems and formulated demands to their composing components. For application of microprocessor control systems created and generalized formal approaches for speed-up determination of control actions attached to control by traction converters in function of working out of loading current, speed, voltage, power, moment and acceleration. Attested the optimization of energy consumption (up to18%) in case of application of offered control methods. The main rezulrs of work is installated on serial and experienced models of accumulator electric transport.

Key words: electric vehicle, effectiveness, electric drive, energy interchange, microprocessor management system.

Аннотация

Скиданов В.М. Системы электропитания постоянного напряжения электромобилей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы. - Институт электродинамики НАН Украины, Киев, 1999.

Диссертация посвящена проблеме повышения энергетической и эксплуатационной эффективности автономного электротранспорта (электромобили, электрокары, электроциклы, и тому подобное).

Одним из важнейших признаков транспортных систем электропитания является непредсказуемость протекания процессов в них, что обусловлено непрограммируемыми действиями оператора и произвольным изменением состояния среды эксплуатации, что существенно усложняет возможность использования известных оптимизационных методов, построенных на жестких алгоритмах. Поэтому, учитывая стохастический характер анализируемого объекта, требуют развития исследования по повышению общей эффективности функционирования электротранспорта с питанием от аккумуляторной батареи на основании системного анализа транспортных электроприводов, а также создание методологии рационального построения систем электропитания электромобилей (СЭПЭМ), методов, алгоритмов и средств управления преобразователями в таких системах. Это обеспечит уменьшение энергопотребления, удельных энергозатрат, увеличения полезного пробега, улучшения эксплуатационных, надежностных и эргономичных показателей автономного электротранспорта. Решению этих актуальных задач посвящена данная диссертационная работа.

В работе получены новые аналитические зависимости для КПД компонентов и СЭПЭМ в целом, что позволяет определить диапазоны значений частот коммутации, коэффициентов заполнения импульсного цикла и токов нагрузки тяговых и вспомогательных преобразователей, в пределах которых режимы работы электрооборудования будут энергетически наиболее рациональными. Эти данные дополнены результатами применения нового метода определения гарантированной эффективности систем тягового электрооборудования по статическим константам их компонентов, а также результатами исследования общего баланса энергообмена в СЭПЭМ, что позволило определить численные значения для энергии, которая расходуется (в тяге) и поступает (в режиме рекуперативного торможения) в первичный источник (аккумуляторную батарею) в циклическом и произвольном режимах движения транспортных средств. При этом выявлены факторы отрицательного воздействия на эффективность энергообменных процессов. Используя совокупность полученных данных, можно обеспечить оптимальный подбор компонентов СЭПЭМ, выявить наиболее целесообразные параметры управления тяговыми и вспомогательными преобразователями и получить законы оптимизационного управления для создания соответствующего алгоритмического и программного обеспечения.

С учетом полученных результатов разработан метод “программных изображений”, позволяющий, минуя громоздкие вычисления и итерационные процедуры последовательных приближений, достоверно за один программный цикл рассчитать управляющие воздействия тяговыми преобразователями при реализации оптимизационного управления в функции тока нагрузки, а также управления в функции скорости. Предложены обобщенные решения задач микропроцессорного управления тяговыми преобразователями в функции отработки заданных напряжения, мощности, момента и ускорения. Указаны пределы целесообразности применения такого управления.

Проведено исследование режимно-функциональных особенностей работы тяговых и вспомогательных бортовых преобразователей автономного электротранспорта и созданы специализированные алгоритмы управления ими, что обеспечивает повышение надежностных и динамических показателей транспортных средств, позволяет формировать специальные тяговые характеристики, гарантирует устойчивость выполнения управляющих алгоритмов.

В прикладном аспекте выполнены разработки микропроцессорных систем и специализированных средств управления (МПСУ) модульного исполнения, предназначенных для работы на автономном электротранспорте разного функционального назначения. Разработаны средства повышения производительности МПСУ, которые способствуют сокращению объема используемой памяти и повышению их быстродействия. Создан оригинальный реверсивный счетчик ампер-часов с высокими точностными и удельными показателями, что позволило обеспечить оценку динамики и учет изменения показателей электропотребления в разных системах транспортных электроприводов и обусловило достоверность определения их сравнительных оценок и эффективности при значительном сокращении времени проведения экспериментов и сохранении ресурса тяговой батареи.

Проведены комплексные стендовые и дорожные (на электромобилях ВАЗ-2801 и ЗАЗ-11091) экспериментальные исследования и сравнительный анализ систем управления тяговыми преобразователями с традиционным и оптимизационным программным обеспечением, на основании чего установлено, что последние, при всех прочих равных условиях, позволяют увеличить коэффициент использования емкости на 5% в установившихся режимах и на 15-18% в режимах реального циклического городского движения.

Как итог, сформулированы рекомендации по применению результатов работы на автономных транспортных средствах различного функционального назначения.

Ключевые слова: электромобиль, эффективность, электропривод, энергообмен, микропроцессорная система управления.

1. Загальна характеристика роботи

Вступ. Одними з найбільш важливих проблем сьогодення для України є відсутність достатніх обсягів власних енергоносіїв, незадовільний розвиток ресурсо- та енергозбереження (особливо у транспортних галузях), стійке погіршення екологічного стану довкілля.

Серед усього розмаїття існуючих видів транспорту найбільше занепокоєння викликає саме автомобільний, оскільки понад 70% загального забруднення повітряного середовища обумовлюється автомобілями, які є головним споживачем рідкого палива і кількість яких невпинно зростає. Таким чином, маємо замкнене коло з жорстко виявленим позитивним зворотним зв'язком, який стійко посилює і так уже існуючі негативні наслідки - вичерпування природних ресурсів, зокрема нафти, та подальше вбивче забруднення довкілля.

Реальну альтернативу автомобільному транспорту можна реалізувати на основі розширеного використання (принаймі у межах населених пунктів) електрифікованого транспорту. Так міський електротранспорт з живленням від контактних мереж вже відчутно впливає на зниження екологічного та паливно-енергетичного навантаження. Однак, класифікаційна ніша акумуляторного електротранспорту й досі лишається незаповненою, хоча його об'єктивні переваги - відсутність шкідливих викидів, безшумність, значно менші експлуатаційні витрати, сприяння вирівнюванню добових графіків навантажень електростанцій, статистична достатність денного міжзарядного пробігу у 80-100 км в умовах міського використання і т.д. - у країнах Заходу вже доведені та підтверджені практикою дослідного застосування. Розрахунки показують - у великих містах кожен мільйон мешканців обслуговує у сервісних інфраструктурах 00 тисяч автомобілів, чиї функції можна перекласти на електромобілі (ЕМ). Необхідне збільшення виробітку та споживання електроенергії при цьому не перевищить 0,3% від існуючого, а економія органічного палива складатиме 100 млн. літрів (80 тис. тон) на рік. Отже, недостатня розвиненість науково-прикладних передумов створення енергоекономічних ЕМ та реально існуюча потреба в них обумовлює необхідність проведення досліджень систем електроживлення ЕМ з метою підвищення їх енергетичної ефективності та широкого впровадження, що вельми важливо для України в екологічному та паливно-енергетичному аспектах.

Актуальність роботи. З викладеного вище витікає, що розробки, створення та якнайширше впровадження електромобільного транспорту розглядається у світовій практиці як істотно актуальна проблема, яка традиційно вирішується у таких відомих напрямках: розробка нових ефективних джерел живлення та створення енергоефективних компонентів систем електромеханічного перетворення енергії. В той же час кожен з зазначених напрямків передбачає наявність або створення нових технологій та вимагає вкладання значних коштів.

При цьому, значні резерви по підвищенню ефективності функціонування електромобілів, покращення їх експлуатаційних характеристик криються у раціональній організації процесів перетворення енергії акумуляторної батареї (АБ), забезпеченні ефективного загального енергообміну у системах електроживлення електромобілів (СЕЖЕМ), що може бути виконано засобами управління при певному оптимізаційному спрямуванні останніх.

На відміну від загальнопромислових перетворювальних комплексів, які здебільшого характеризуються передбаченістю поведінки, у перебігу поточної експлуатації транспортних систем електроживлення завжди присутні фактори стороннього впливу, що суттєво позначається на виконанні наперед заданих алгоритмів функціонування і обумовлює значні відхилення стану системи від заданих режимів та очікуваних показників якості у керуючих та енергетичних аспектах. Це обумовлено ергономічними особливостями цих систем, оскільки система “оператор - машина - довколишнє середовище” є невизначеною за ознаками об'єктивної непередбаченості у змінах стану (поведінки) першої та останньої ланок. Тобто, однією з найважливіших ознак транспортних систем електроживлення є непередбаченість перебігу процесів в них, що обумовлено непрограмованими діями оператора та довільною зміною стану середовища використання і суттєво ускладнює можливість застосування оптимізаційних заходів, побудованих на жорстких алгоритмах, а також значно звужує можливості та переваги відомих підходів.

Тому, враховуючи стохастичний характер обєкту, що аналізується, потребують подальшого розвитку наукові дослідження по підвищенню загальної ефективності функціонування електромобілів на основі системного аналізу тягових електроприводів, а також створення методології раціональної побудови СЕЖЕМ, методів, алгоритмів та засобів управління перетворювачами у таких системах. Це забезпечить зменшення енергоспоживання, питомих енерговитрат, збільшення корисного пробігу між зарядами АБ, покращення експлуатаційних, надійнісних та ергономічних показників електромобілів.

Вирішенню актуальних науково-прикладних задач створення, розвитку та підвищення ефективності електромобілів, технологічного електротранспорту та нетрадиційних автономних транспортних засобів присвячена дана дисертаційна робота.

Робота виконана у безпосередньому зв'язку з академічними, галузевими та державними програмами, а саме: з плановими дослідженнями НАН України “Наукові основи електроенергетики”; з проблемою “Перетворення параметрів електричної енергії” (розпорядження Президії АН УРСР № 474 від 27.12.85 та № 7 від 24.12.92); з темами “Устройство”, “Стабилизация” №№ ДР відповідно 01.86.0.083877, 1990 р. та 01.91.0007412, 1993р.; з розпорядженням РМ СРСР № 473р від 03.12.80; з підпрограмою по електротранспорту Мінмашпрому України від 12.10.92; з проектом ДКНTПП України “Електромобіль” (5.51.04 “Ресурсозберігаючі проблеми виконавчих та транспортних машин”), 1994 р.; з проектом Міннауки України “Коерцитив” (04.08/1830 від 26.08.97 р. “Розробка та створення нового класу високоефективних електромеханічних перетворювачів транспортного призначення”), а також з планами НДР за низкою госпдоговорів з АвтоВАЗом (м. Тольятті, Росія), АвтоЗАЗом (м. Запоріжжя) та з Мінмашпромом України.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є подальший розвиток теоретичних положень побудови систем електроживлення електромобілів, раціональної організації процесів енергообміну в них та створення на цій основі нових науково обгрунтованих методів, засобів та алгоритмів управління тяговими та допоміжними перетворювачами, що в сукупності забезпечує розвязання значної прикладної проблеми - підвищення енергетичної та експлуатаційної ефективності електромобілів.

Досягнення зазначеної мети вимагає вирішення таких задач:

- розробки методології побудови систем електроживлення електромобілів з гарантованою наперед заданою “статичною” ефективністю та технічною сумісністю складових компонентів;

- аналітичного та експериментального дослідження загального балансу енергій у тяговому та рекуперативному режимах роботи електромобілів;

- подальшого застосування системного аналізу при дослідженнях енергетичних показників комплексів тягового та допоміжного електрообладнання та визначення параметрів оптимального (субоптимального) управління перетворювачами у системах електроживлення електромобілів;

- розробки методу управління перетворювачами у функції завдання струму навантаження та швидкості обертання тягового двигуна, а також узагальнення та обгрунтування формалізованого управління перетворювачами у функції завдання електричних (напруга, потужність) та механічних (момент, прискорення) параметрів систем електроживлення електромобілів при неодмінному врахуванні обмежень, обумовлених живленням від акумуляторної батареї;

- створення мікропроцесорних засобів оптимізаційного управління перетворювачами транспортного призначення, засобів кількісного обліку поточної ємності тягової батареї та спеціалізованих модулів управління для застосування на різних типах електромобілів;

- розробки алгоритмічно-програмного забезпечення засобів управління перетворювачами транспортного призначення з використанням апарату логічних схем алгоритмів для мінімізації об'єму програмної памяті та часу виконання керуючих процедур;

- аналізу експериментальних досліджень та розробки конкретних рекомендацій по застосуванню результатів роботи на електромобілях та іншому автономному транспорті різного функціонального призначення.

Наукова новизна роботи полягає в наступному:

- одержано нові аналітичні залежності для ККД компонентів та систем електроживлення електромобілів, які дозволяють визначити конкретні діапазони змінювання частоти комутації, коефіцієнта заповнення імпульсного циклу та струму навантаження;

- сформульовані та обгрунтовані головні положення нового методу забезпечення гарантованої ефективності систем тягового електрообладнання електромобілів за статичними константами їх складових компонентів;

- вперше виконано систематизовані узагальнюючі аналітичні та експериментальні дослідження балансу енергій у тяговому та рекуперативному режимах роботи електромобілів та виявлено чинники негативного впливу на ефективність енергообмінних процесів;

- розроблено та обгрунтовано новий метод “програмних зображень” для безпосереднього (минаючи громіздкі розрахунки) визначення параметрів управління перетворювачами, які реалізують задані закони зміни струму навантаження та швидкості обертання тягового двигуна;

- досліджено особливості програмної реалізації управління перетворювачами у функції відпрацювання завдання напруги, потужності, моменту і прискорення у системах тягових електроприводів, визначено межі доцільності застосування такого управління;

- обгрунтовано раніше невідомий спосіб повнофункціонального двозонного управління перетворювачами у тягових приводах з позитивним зворотним зв'язком по швидкості;

- обгрунтовано концепцію та розроблено оригінальні алгоритми вирішення задачі обліку поточної ємності для бортових та буферних акумуляторних батарей при реалізації реверсивного енергообміну;

- досліджено режимно-функціональні особливості роботи тягових та допоміжних бортових перетворювачів електромобілів та розроблено спеціалізовані ефективні алгоритми управління ними.

Практичне значення одержаних в роботі результатів полягає в тому, що розроблені в дисертації теоретичні положення узагальнені та доведені до вигляду єдиної цільової методології, що дозволяє ефективно використовувати їх у інженерній практиці при розробках систем електроживлення електромобілів та створенні систем управління тяговими та допоміжними напівпровідниковими перетворювачами, які забезпечують найбільш раціональний енергообмін у таких системах електроживлення. Це є підгрунтям для рекомендацій щодо подальшого застосування одержаних у роботі конкретних результатів дослідниками та розробниками в установах та організаціях, які спеціалізуються на розробках, впровадженні та експлуатації акумуляторного електротранспорту різних модифікацій та функціонального призначення. Розроблені реверсивні лічильники ампер-годин можуть використовуватись окремо на обєктах із стаціонарними акумуляторними батареями (вузли звязку, обєкти великої енергетики, тощо).

Результати досліджень знайшли широке практичне застосування у дослідних та дослідно-промислових зразках транспортних систем електроживлення з відповідними перетворювачами. Всі створені засоби управління мали конкретне призначення і пройшли стендові випробування та дослідне впровадження на різних транспортних засобах (електромобілі ВАЗ-1801, 2801, 2802, 2702, ЗАЗ-1102, 11091, 11092, електроцикл на базі трициклу КМЗ “Дніпро-300”, електрокари ЕК-2, ЕН-161), деякі розробки впроваджені в малих промислових серіях на електромобілях ВАЗ-2801, та 2702.

Особистий внесок автора. Наукові положення та прикладні результати, що містяться у дисертації, отримані здобувачем самостійно. У наукових працях, написаних у співавторстві, безпосередньо дисертанту належить наступне: у монографії [1] - самостійно написані розділи 6,7; у [2,3] - розробка положень загальної концепції побудови, створення МПСУ та програм для лічильника ампер-годин; у роботах [4,8,9] - дослідження та аналіз регуляційних характеристик перетворювача; у [5,6,20] - положення концепції побудови систем електроживлення електромобілів та науково-прикладні аспекти створення бортових керуючих структур; у [15-19] - постановка задачі дослідження та одержання аналітичних залежностей; у [7] - положення способу та створення різних варіантів засобів управління. У матеріалах [21-23] ідеї винаходів належать співавторам у рівній мірі.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати досліджень та розробок доповідались на трьох міжнародних (1997-98 рр.), семи всесоюзних (1979-91 рр.), пяти регіональних конференціях та семінарах.

Публікації. Основний зміст дисертації відображено у 42 публікаціях (1 монографія, 19 статей у фахових виданнях, 5 з яких написано самостійно, 1 препринт, 8 авторських свідоцтв СРСР, 1 патент України, 2 статті у збірниках наукових праць Інституту електродинаміки, 10 тез доповідей на конференціях) та 4 звітах по закінчених НДР, що мають номери держреєстрації.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація містить вступ, шість розділів, висновки, список використаних джерел та додатки. Загальний обсяг складає 377 сторінок. На 117 сторінках розміщено 18 таблиць, 50 рисунків, список використаних джерел з 143 позицій та п'ять додатків.

2. Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність та доцільність виконання роботи, сформульовані мета та задачі наукового дослідження, викладено наукову новизну, практичне значення та відомості щодо реалізації результатів дисертації, її апробацію та публікації за темою досліджень.

У першому розділі розглянуто загальну структуру взаємозвязків компонентів СЕЖЕМ з мікропроцесорною системою управління (МПСУ) і визначено напрямки розповсюдження інформаційних сигналів як внутрішньосистемного (датчики), так і зовнішнього (задатчики) походження, що забезпечує формування керуючих дій для управління тяговими та допоміжними перетворювачами і комутаційним електрообладнанням.

У роботі запропоновано класифікацію та проведено аналіз існуючих методів, засобів та рівнів управління перетворювачами.

Необхідною умовою підвищення ефективності електротехнічних комплексів є максимальне використання регулюючих можливостей перетворювачів електроенергії. Крім того, на загальну ефективність складних технічних систем з перетворюючими модулями безпосередньо впливає обрана (розроблена) стратегія управління останніми. На сучасному етапі розвитку техніки є очевидним, що “привнесення” інтелектуального наповнення в управління будь-яким об'єктом повинно мати під собою певний теоретичний базис, структуру якого складають методи дослідження електромагнітних та енергетичних процесів та властивостей як окремих компонентів, так і об'єкта управління в цілому. У фундаментальних працях вітчизняних та зарубіжних вчених питанням теорії перетворювальних пристроїв та управління ними присвячено чимало уваги. Найбільш визначними є роботи А.-А.А. Бельскіса, Б. Бедфорда, Л.В. Бірзнієкса, О.Г. Булатова, І.В. Волкова, Т.А. Глазенко, А.Г. Грабовецького, А.І. Денисова, В.Т. Долбні, Ю.І. Драбовича, В.Я. Жуйкова, І.Ю. Інькова, В.Б. Клепікова, М.С. Комарова, Ю.І. Конєва, В.О. Лабунцова, В.І. Некрасова, Г.Г. Півняка, Е.М. Ромаша, В.С. Руденка, Р. Хофта, В.С. Федія, А.К. Шидловського, М.М. Юрченка та багатьох інших. Щодо теорії перетворювачів, призначених для роботи у складі електроприводів, то найбільший потенціал традиційно зосереджений у наукових школах Києва (ІЕД НАН України, НТУ України “КПІ”), Харкова (ХДПУ, НВО “Електроважмаш”), Запоріжжя (НДІ “Перетворювач”), Москви, С.-Петербургу, Новосибірську. Характерною особливістю досліджень названих провідних наукових шкіл у останні десятиріччя є неодмінний розвиток проблем управління паралельно з традиційними дослідженнями засобів перетворення, що складає достатню умову для виконання оптимізаційних заходів.

Автором запропонована концепція системного дослідження енергетичних показників об'єкту управління, як необхідна умова вирішення оптимізаційних задач, яка грунтується на таких положеннях:

1). Автономні транспортні системи електроживлення з перетворювачами постійної напруги є замкненими структурами і мають аналізуватися у всій сукупності взаємовпливу та взаємозв'язків усіх структурних компонентів, тобто дослідженню підлягає базова структура: “акумуляторна батарея - імпульсний перетворювач - тяговий електродвигун” (АБ-ІП-ТЕД).

2). Дослідження та аналіз систем тягового електрообладнання має бути охоплений єдиним математичним описом, що містить функціональний зв'язок режимних характеристик, параметрів управління та енергетичних показників цих систем.

3). З енергетичних показників (ККД, спожита потужність, втрати потужності, тощо), залежність яких від параметрів управління вивчатиметься, перевагу слід віддати саме ККД як найбільш загальному показнику енергетичної ефективності як окремих компонентів, так і системи привода в цілому.

У загальному випадку маємо систему, яка складається з n функціональних блоків, кожний з яких споживає деяку потужність Р₁, Р₂, ..., Р_n і має втрати потужності P₁, P₂, ..., P_n. Загальний ККД системи визначається за формулою

.

У більшості випадків для імпульсних систем . Розглядаючи джерело енергії системи як один з її елементів та вважаючи його внутрішню потужність потужністю споживання системи Р₁ (P₁ - втрати у джерелі ), введемо коефіцієнти приведення потужності k₁ = P₁/P₂; k₂ = P₁/P₃ ; ...; k_n-1 = P₁ / P_n, тоді загальний ККД системи визначиться за формулою

= 1 - (P₁ + k₁P₂ + k₂P₃ + ... + k_n-1P_n) / P₁ (1)

Використовуючи (1) та відповідні вирази для потужностей втрат, споживання та коефіцієнтів приведення, для традиційної побудови СЕЖЕМ з транзисторним перетворювачем у тяговому режимі одержимо таку формулу для загального ККД:

_ЗАГ = 0,5 + 0,5 - (1+k_з)/² -

(2)

де ^*=/_к.з., - середній струм двигуна за період комутації, _к.з.=Е_и/_и (Е_и та _и відповідно ЕРС та активний опір АБ), = _и / Т - коефіцієнт заповнення імпульсного циклу - КЗІЦ - (_и - тривалість імпульса напруги на виході перетворювача, Т- період комутації), _с=_Sе /_и (_Sе- активний послідовний опір конденсатора фільтра), =1+ /2 ( = / _ср), = Т^-1(⁰¹+¹⁰)/2, (⁰¹ та ¹⁰- тривалість переднього та заднього фронтів вихідного струму перетворювача), _з=Р_з/Р_П (відношення втрат у колі упрапвління (збудження) силовго транзистора до загальних в трат у перетворювачі), k_р.п. = = r_т / r_я (відношення активних опорів силового транзистора та якоря ТЕД), _я= _Д/_я (_Д- активний опір зворотного діода), _Д = _дин / _Д (_дин- динамічний опір діода), = 1+² / 12, = _к.з / _к, _к=/_я (-напруга АБ), _и = _и / _я, Р^*_я.д.- додаткові втрати в якорі у відносних одиницях при імпульсному регулюванні.

У режимі рекуперативного гальмування для загального ККД системи одержана така формула:

(1+ k_з ) / ², (3)

де k_CЯ = _Sе /_Я , Р^*_я.д.р.- додаткові втрати в якорі у режимі рекуперативного гальмування.

Результати аналітичних досліджень енергетичних показників є досить інформативними та корисними, оскільки дозволяють одержати якісні та кількісні характеристики впливу режимних та навантажувальних параметрів на ККД. Однак, безпосередньо з наявних результатів ще не можна отримати закон управління перетворювачем, який міг би забезпечити оптимальні режими роботи СЕЖЕМ. Тобто, інформаційна множина, яку складають отримані залежності енергетичних показників транспортних енергосистем від параметрів управління перетворювачами, не може розглядатись як самодостатня сукупність даних для безпосереднього створення алгоритмів оптимізаційного управління. Тому в роботі обґрунтована цільова методологія для визначення параметрів оптимального управління перетворювачами у системах транспортних електроприводів. За критерії оптимальності обрано мінімум потужності, що споживається від АБ за заданий час для досягнення заданих динамічних показників транспортного засобу у тяговому режимі та максимум потужності, яка буде спожита батареєю під час гальмування за умови реального струмообмеження у рекуперативному режимі. Методологія ґрунтується на спільному аналізі енергетичних, регулювальних та динамічних характеристик тягових приводів. Встановлено, що оптимальним тяговим режимам відповідають усталені струми навантаження двигуна, а оптимальним рекуперативним - усталені струми навантаження тягового джерела.

Завершує перший розділ обґрунтування стохастичного характеру СЕЖЕМ з огляду на непердбаченість поведінки таких систем, як обєктів управління, (що обумовлено недетермінованими діями “оператора” та спонтанною зміною дорожніх умов руху) та постановка задач наукового дослідження.

У другому розділі застосування системного аналізу поширено на дослідження енергетичних показників тягового та допоміжного електрообладнання електромобілів та інших типів автономного електротранспорту з різними структурами перетворюючих компонентів.

Проаналізовано комбіновану структуру автономного електропривода, що складається з інвертора напруги, який може бути керованим або некерованим, та випрямляча, який теж може бути керованим або некерованим. Така структура досить універсальна, оскільки за умов відповідної потужності може виконувати функції тягового перетворювача не тільки електромобілів,а також електрокарів та цехового технологічного транспорту з живленням від кабельної пересувної мережі або зарядного перетворювача для ТАБ.

Для структури АБ-ІН-КВ-ТЕД одержано таку формулу для загального ККД:

_{ЗАГ КВ} = 0,5 + 0,5-Р^*_Я.Д. / I^* k²_I k_и (1- I^*) -

-I^* [1+(k_VD + k_T1) +(k_BD + k_TD) + k_я(1-)(1-+ k_Д k)] / k_и(1-I^*) -

-2 I^* k_ІН (1 + k_з) / (1- I^* ) - [(1 + k_з ) + k_н] / , (4)

а для загального ККД системи АБ-КІН-В-ТЕД одержано таку формулу:

_{ЗАГ КІН} = 0,5 + 0,5-Р^*_Я.Д. / I^* k²_I k_и (1-I^*) -

- I^* [1 + k_я(1-)(1-+ k_Д k) + 2 ( k_VD + k_BD)] / k_и (1- I^*) -

- [2I^* k_и + (1 - I^* )] (1 + k_з) / ² (1 - I^*), (5)

де k_VD = r_VD /r_я; k_T1= r_T1 /r_я; k_BD = R_VDдин /r_я; k_TD = R_T1дин /r_я; k_н = t_н /3,6T (t_н - час наростання струму в тиристорі), k_ІН = _т / _я.

З порівняння результатів розрахунків за формулами (2), (4), (5) витікає: з систем з трьома типами регуляторів - традиційний ШІМ, ІН-КВ, КІН-В - найгірші енергетичні показники має система АБ-КІН-В-ТЕД, хоча у ідентичних режимах значення ККД для усіх систем відрізняються не більше ніж 10%, тобто при виборі конкретної структури регулятора з урахуванням незначного погіршення енергетичних показників від ШІМ до ІН-КВ і далі до КІН-В слід керуватись конкретними вимогами до пристроїв, що розробляються.

Крім того, справедливі такі рекомендації: доцільний діапазон частот комутації 0,5 - 1,0 - 2,5к Гц; режими з малими значеннями параметрів < 0,3, f < 500 Гц суттєво погіршують енергетику систем і повинні максимально скорочуватись у тривалості; неприпустимі тривалі пускові режими, для яких характерні великі струми при малих значеннях КЗІЦ ().

Таким чином, одержані результати дозволяють у ряді випадків припускати ускладнення СЕЖЕМ без суттєвого погіршення їх енергетичних та експлуатаційних показників.

Для багатофункціонального транзисторного широтно-частотно-імпульсного регулятора одержана формула для ККД у вигляді

_ПТ = 1 - I^* k_п / (1 - I^*) - / ²

та проаналізовані регулювальні характеристики. Доведено, що зазначений регулятор реалізує квазіоптимальний закон управління з стабілізованими пульсаціями струму навантаження та може використовуватись безпосередньо як тяговий перетворювач при _АБ 100В, Р_ТЕД 6кВт, а також як система управління тиристорними перетворювачами без будь-яких обмежень. В останньому випадку у коло навантаження замість двигуна включається імпульсний трансформатор, вторинні обмотки якого підключаються до керуючих електродів силових тиристорів. До переваг даного схемного рішення слід віднести відсутність будь-яких додаткових джерел живлення та задатчиків.

Далі проаналізовано системи, на базі яких виконуються бортові вторинні джерела живлення (ВДЖ) з вхідними високовольтними імпульсними регуляторами постійної напруги - ІРПН - для побудови буферних ВДЖ та зарядних пристроїв АБ, а також ВДЖ бортових споживачів (бортмережа, засоби управління, індикації, контролю та вимірювань) з підвищеними вимогами до якості електропостачання бортового електрообладнання.

Одержані аналітичні вирази для ККД таких систем мають узагальнений характер і дозволяють отримати конкретні кількісні та якісні залежності ККД для елементів, контурів та систем ВДЖ в цілому від параметрів управління (КЗІЦ та частоти комутації), а також від струму навантаження для різних варіантів застосування елементної бази (біполярних, IGBT та MOSFET транзисторів) при розробці та створенні вторинних джерел живлення різного функціонального призначення.

Таким чином, проведені вище дослідження дозволяють створити інформаційну базу для визначення певних діапазонів значень параметрів управління та навантаження, дотримання яких забезпечує достатньо високі значення ККД системам тягового та допоміжного електрообладнання автономного електротранспорту.

У третьому розділі виконано дослідження, результати яких у сукупності дозволяють оптимально підібрати компоненти СЕЖЕМ, що в цілому забезпечує наперед задану “статичну” ефективність таким системам та технічну сумісність тягового електрообладнання, що їх складає.

Запропоновано метод “забезпечення гарантованої ефективності” (МЗГЕ) транспортних систем електроживлення за статичними константами їх складових компонентів. Під гарантованою “статичною” ефективністю слід розуміти такий обґрунтований підбір компонентів, який за усіх інших рівних умов забезпечить системі кращі енергетичні показники у порівнянні з існуючими варіантами. Статичні константи визначаються співвідношенням незмінних фізичних параметрів складових системи привода і є наперед заданими величинами, що “закладаються” в систему на етапі її техніко-структурного формування з окремих компонентів (джерел струму, тягових двигунів та керованих перетворювачів).

Аналітично метод базується на дослідженнях залежностей ККД компонентів системи привода, регулювальних та навантажувальних факторів у тяговому режимі та режимі рекуперативного гальмування. Алгоритмічно метод реалізується як визначення таких чисельних значень найбільш вагомих коефіцієнтів з числа статичних констант у виразах для ККД, щоб значення ККД у функції цієї константи було максимальним за всіх інших рівних умов.

Метод ґрунтується на таких положеннях:

1. З існуючих відомих СЕЖЕМ вибирається та приймається за базову така, що за своїми параметрами компонентів та техніко-експлуатаційними показниками є кращою за інші. (При виборі базової системи доцільно керуватись такими показниками як ККД; питома потужність, Вт/кг; питомі енерговитрати, Вт ^. год / км; тощо).

2. У виразах для ККД кожного з компонентів привода обираються статичні константи, які, по-перше, визначають найбільш вагомі фізико-технічні параметри компонентів, а, по-друге, чинять безпосередній вплив на ККД цих компонентів.

3. Записуються рівняння, де перше

()_min = (= const, = const, = const, () = _базове)

визначає ККД компонента базової системи у гіршому режимі, як функцію усталених режимних параметрів та статичних констант, чисельні значення яких для базової системи відомі, а друге рівняння

()_max = ( = const, = const , = const, () = k_гіп)

є виразом для ККД того ж компонента у кращому режимі, складеним також для усталених режимних параметрів, але у функції статичної константи гіпотетичної системи приводу, яка створюється або тестується. Чисельне значення цієї останньої константи має бути знайдене у вигляді k_гіп = [()_min , ()_max], щоб забезпечити компонентам системи, що створюється (тестується) значення ККД у гіршому режимі не менші за значення ККД компонентів базової системи, але у кращому режимі.

4. Дії, зазначені у п. 3, виконуються для тягового та рекуперативного режимів роботи СЕЖЕМ для забезпечення достатньої вірогідності у визначенні співвідношень статичних констант базового та гіпотетичного приводів.

Зазначимо одразу, що діапазон застосування методу для тягових приводів постійного струму практично не обмежений.

За базову у цьому дослідженні прийнято систему привода, що має тяговий електродвигун ПТ-125 (P_max / P_ном = 25/12 кВт, _к = _я/_я = 2400А) , тягову Ni-Zn акумуляторну батарею ( _ном = 120В, = 55 Вт ^. год/ кг, _к.з. = _АБ / _АБ = 1350 А), транзисторний імпульсний перетворювач (P_max =25кВт, m = 12кг, Р/m = 2,1 кВт/кг), побудований згідно з розробленим у Інституті електродинаміки методом глибокого секціонування з резервуванням. Зазначене електрообладнання виготовлене за високими технологіями та по технічних і енергетичних показниках відповідає світовому рівню пристроїв такого призначення.

Проілюструємо роботу методу на прикладі тягового двигуна, ККД якого у тяговому режимі визначається за формулою:

(6)

Найбільш вагомими статичними константами є коефіцієнти k_и = r_и / r_я та k_I = =I_к.з. / I_к, які впливають на ККД тягового привода на системному рівні, бо задають співвідношення активних опорів та струмів КЗ джерела та навантаження. При цьому, для базової системи коефіцієнти k_я = 0,004; k_Д = 1; = 1 при f > 500Гц і суттєво впливати на ККД двигуна та привода в цілому не можуть.

Таким чином, необхідно знайти такі k_и та k_I , щоб ККД двигуна у гірших режимах наближався до значень його ККД у кращих режимах тільки за рахунок оптимальних співвідношень параметрів компонентів системи приводу.

Вираз для ККД двигуна представимо у такому вигляді:

_Я-Д = 1 - A / k_и B, (7)

де А та В є відповідно чисельником і знаменником попередньо приведеного до одного дробу виразу (6). При цьому А та В - сталі при фіксованих значеннях КЗІЦ - - і відносного струму навантаження ^*.

Для струму I = 150А (реальний тривалий тяговий струм) мінімальний ККД двигуна дорівнює 0,4, а максимальний - 0,92. Записавши вираз (7) для цих двох значень ККД, а також для k_{и min} та k_{и max}, одержимо

А / k_{и min} ^. В = 0,6; А / k_{и max} ^. В = 0,08,

звідки знаходимо: k_{и max} = 7,5 k_{и min}, а з урахуванням того, що для базової системи k_и = k_{и min} = 2, одержимо k_{и max} =15, тобто необхідний діапазон значень коефіцієнта k_и , що забезпечить збільшення ККД двигуна за всіх інших рівних умов, є таким: 2 < k_и < 15. Для визначення k_I привода, що створюється, враховуючи фізичний сенс залежності ККД від цього коефіцієнта та вираз для співвідношення k_I та k_и слід використовувати формулу k_I = (k_{и min})^-1 . Тоді матимемо k_I 0,5.

Розглянемо режим рекуперативного гальмування. ККД двигуна у цьому режимі визначається за формулою

(8)

Як і у попередньому випадку, проаналізуємо вплив на ККД двигуна саме k_и за усіх інших рівних умов. Вираз (8) запишемо у такому вигляді:

^Р_Я-Д = 1 - A₁ / (k_и B₁ - С₁), (9)

де сталі А₁,В₁,С₁ є фрагментами виразу (8), а саме: А₁ - чисельник, , C₁ = (I^* k_I )².

Для струму I = 50А (припустимий тривалий рекуперативний струм) = 0,7 при = 0,9 та = 0,98 при = 0,1. Запишемо формулу (9) для наведених значень ККД та коефіцієнтів k_и = 2 та k_{и max}:

1 - 0,7 = А₁ / (k_и В₁ - С₁)

1 - 0,98 = А₁ / (k_{и max} ^. В₁ - С₁)

Переходячи до відношення цих виразів, матимемо

(k_{и max} - С₁ / В₁ ) / (k_и - С₁ /В₁) = 15

Вирахувавши В₁ і С₁ для = 0,9, k_I = 0,55 та I^* = I/Iк.з.= 50А / 1350А, одержимо k_{и max} = 25. Тобто, діапазон для k_и у режимі рекуперації, слід вважати таким:

2 < k_и < 25,

а для k_I необхідно, щоб k_I 0,5.

Подальше застосування метода до акумуляторної батареї та транзисторного силового перетворювача дозволило зробити такі висновки: струм короткого замикання АБ повинен відповідати діапазону 1300А _к.з.=Е_АБ/_АБ 10600А; системна техніко-енергетична сумісність транзисторних перетворювачів у СЕЖЕМ буде задовільною, якщо для тягового режиму 4,1^.10^-3 _П = _Т / _АБ 5,7^.10^-2 , а для рекуперативного режиму 5,4^.10^-2 _р.п.= _Т / _Я 11,4^.10^-2. Дотримання визначених діапазонів для вказаних статичних констант _к.з., k_и, k_I, _П та _р.п. забезпечить компонентам СЕЖЕМ значення ККД у гірших режимах не менші за ККД компонентів базової системи у кращих режимах за усіх інших рівних умов.

Окремо проаналізовано енергетичні показники АБ для випадків довільної (паралельно-послідовної) її побудови, що задається такими співвідношеннями:

E_и = k E₀; r_и = k r₀ / , причому

m = k ^. , (1); m = k, ( = 1),

де m - загальна кількість елементів батареї; - кількість паралельно з'єднаних секцій, кожна з яких містить k послідовних елементів (k= const для компенсації урівнювальних струмів між секціями); E_и, r_и, E₀, r₀ - відповідно сумарна ЕРС та опір батареї у послідовній структурі та ЕРС і опір окремого елемента батареї.

Для тягового та рекуперативного режимів роботи АБ при довільній її побудові одержані відповідно такі вирази для ККД:

(10)

= 1 - I^*[ k_и + l² (1- ) k_ся ] / (1- )[k_и (1- ) - 2 I^*] (11)

Розрахунки цих виразів та проведений аналіз засвідчує, що найбільш доцільним степенем секціонування АБ для збільшення її ККД у початкових пускових та кінцевих гальмівних режимах слід вважати відповідно значення глибини секціонування = 46, за умови, що рівень напруги при цьому не зашкодить функціонуванню бортового електрообладнання. Реалізація оперативного секціонування АБ у СЕЖЕМ з двигунами незалежного та послідовного збудження виконується за допомогою запропонованого у роботі нового способу, який грунтується на виконанні певного алгоритму управління перетворювачами та необхідною контакторно-комутаційною апаратурою.

Далі у роботі виконано дослідження загального балансу енергообміну у СЕЖЕМ електромобілів для тягового та рекуперативного режимів у цикловому (рис.3) та довільному міському русі. Потужність, що витрачається на накопичення кінетичної енергії ЕМ, яку він матиме у точці 1 діаграми руху, визначається за формулою P_к = 0,5ma_i V_i, (m- повна маса ЕМ, - коефіцієнт врахування мас, що обертаються, a_i - прискорення на ділянці 0-1, V_i - швидкість у т.1, індекс “i” визначає один з циклів A - D).

Потужність, що витрачається на тертя кочення P_т = mgfV_{ср i} (g = 9,81 м/с², f - коефіцієнт тертя кочення,V_{ср i} - середня швидкість на ділянці руху у i-му циклі). Втрати потужності від аеродинамічного опору руху P_A = k₀F_Л V³_срi, (k₀ - коефіцієнт, який визначає аеродинамічні властивості об'єкту, що рухається, Н^. c² / м⁴ ; F_Л - лобова площа транспортного засобу, м²).

Енергія, яка споживається від акумуляторної батареї під час розгону та у русі з постійною швидкістю, може бути визначена з такого рівняння:

(12)

де_м - ККД механічної трансмісії ЕМ, _{E i} - ККД системи електропривода у i-му циклі тягового режиму (розраховується згідно з (2)).

Розрахункову формулу для визначення енергії, що споживається від батареї у тяговому режимі руху по траєкторії 0-1-2, одержимо у такому вигляді:

W^T_АБ = [(0,5 ma_i V_i + mgfV_{ср а} + k₀ F_Л V³_{ср i}) t_{a i} +

+ (mgfV _{ср i} + k₀ F_Л V³_{ср i} ) t_{cr i}] / _{м E i}, (13)

де V_{ср а} = V _i / 2 за умови, що рух на ділянці 0-1 рівноприскорений.

Далі розглянемо баланс енергій у гальмівному режимі для трьох можливих траєкторій, а саме: 3-5, 2-5 та 2-4.

Рівняння енергетичного балансу для рекуперативного гальмування ЕМ по траєкторії 3-5 буде мати такий вигляд:

, (14)

де W_K3 = 0,5 V²₃ ^. m ^. - кінетична енергія ЕМ у початковий момент гальмування; W^P_АБ[3-5]i - енергія, що надходить в акумуляторну батарею в i-му циклі по траєкторії 3-5; - ККД СЕЖЕМ в i-му циклі для режиму рекуперативного гальмування (розраховується згідно з (3)).

Припускаючи, що змінювання швидкості від V₃ до 0 відбувається тільки за рахунок суто електричного гальмування, з (14) одержимо розрахункову формулу для визначення енергії, що споживається акумуляторною батареєю у рекуперативному режимі при гальмуванні по траєкторії 3-5:

W^P_АБ[3-5]i = [0,5 mV²₃ - (mgfV_{3 cp} + k₀ F_Л V³_3ср )t _{b i}] / _м ^P_{E i}, (15)

де V_{3 cp} = V₃ / 2 за умови, що рух рівноуповільнений.

Для траєкторії 2-5 матимемо

, (16)

W^P_АБ[2-5]i = [0,5 ma_i V_i t_ai - ( mgfV_ср[2-5]i +

+ k₀ F_Л V³_ср[2-5]i ) (t_co + t_b)] ^. _м ^P_{E i}, (17)

де V_ср[2-5]i = V_2i / 2 за умови рівносповільненого руху.

Для траєкторії 2-4:

, (18)

W^P_АБ[2-4]i = [0,5 ma_i V_i t_ai - (mgfV_ср[2-4]i +

...