ТРЕТЯК МИХАЙЛО ВІКТОРОВИЧ КОМБІНОВАНІ СИСТЕМИ ЖИВЛЕННЯ ЕЛЕКТРОТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБІВ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКОГО ПРИЗНАЧЕННЯ

Короткий опис

Национальная академия наук Украины
Институт электродинамики

На правах рукописи

ТРЕТЯК МИХАИЛ ВИКТОРОВИЧ

УДК 621.314

КОМБИНИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Специальность 05.09.03 электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Научный руководитель
Шидловский Анатолий Корнеевич
д.т.н., проф., академик НАН Украины

Киев 2013
СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

5

ВВЕДЕНИЕ..

6

РАЗДЕЛ 1 ТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА С КОМБИНИРОВАННЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГОПИТАНИЯ

12

1.1 Комбинированные системы энергопитания машин автотранспортного назначения.

12

1.2 Особенности эксплуатационных характеристик тягово-транспортных средств сельскохозяйственного назначения..

18

1.3 Повышение эффективности тягово-транспортных средств сельскохозяйственного назначения..

21

1.4 Анализ существующих методов оценки энергетических показателей компонентов систем автономных электротранспортных средств..

26

Выводы по разделу 1.

31

РАЗДЕЛ 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ТЯГОВО-ТРАНСПОРТНОМ СРЕДСТВЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

33

2.1 Особенности нагрузочных режимов в тягово-транспортном средстве сельскохозяйственного назначения

33

2.2 Модель механической трансмиссии тягово-транспортного средства сельскохозяйственного назначения..

36

2.3 Универсальная модель электромеханической трансмиссии тягово-транспортного средства сельскохозяйственного назначения...

41

2.4 Модель комбинированной системы энергопитания тягово-транспортного средства сельскохозяйственного назначения с электротрансмиссией....

60

Выводы по разделу 2....

64

РАЗДЕЛ 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОПИТАНИЯ И ЕЕ КОМПОНЕНТОВ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С/Х НАЗНАЧЕНИЯ

65

3.1 Развитие метода определения КПД системы энергопитания автономного транспортного средства

65

3.1.1 Энергетические показатели системы тягового электрооборудования с широтно-импульсным преобразователем и электрохимическим источником питания (аккумуляторной батареи) в тяговом режиме

69

3.1.2 Определение КПД комбинированной системы энергопитания с дизель-генератором..

74

3.2 Анализ зависимостей энергетических показателей в системе генратор-аккумуляторная батарея-импульсный преобразователь-двигатель постоянного тока от параметров управления преобразователем.....

75

3.3 Метод определения основных энергетических параметров компонентов комбинированной системы энергопитания

78

3.4 Обоснование применения тягово-транспортных средств с комбинированной системой энергопитания в закрытых помещениях сельскохозяйственного назначения

82

3.5 Разработка методики определения энергетических параметров компонентов бустерного источника энергопитания.

86

3.6 Суперконденсатоы в системах энергопитания транспортных средств ...

88

Выводы по разделу 3....

94

РАЗДЕЛ 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАКЕТНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ С КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМОЙ ЭНЕРГОПИТАНИЯ.

95

4.1 Структурная схема экспериментального трактора с комбинированной системой энергоснабжения.

95

4.2 Разработка полупроводниковых компонентов электрооборудования и системы электропитания трактора.

98

4.2.1 Силовой преобразователь...

98

4.2.2 Система управления силовым преобразователем

100

4.2.3 Проведение экспериментальных исследований силовых и вспомогательных компонентов бортового электрооборудования транспортного средства

103

4.2.4 Экспериментальные исследования силовых и вспомогательных компонентов бортового электрооборудования транспортного средства

105

4.3 Разработка системы мониторинга и регистрации сигналов...

110

4.4 Проведение испытаний электромеханической и гибридной систем энергопитания трактора...

114

Выводы по разделу 4....

118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

119

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ..

122

ПРИЛОЖЕНИЕ А Расчет параметров модели машины постоянного тока

133

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Расчет параметров модели синхронной машины......

134

ПРИЛОЖЕНИЕ В Расчет параметров модели асинхронной машины....

135

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Акты внедрения результатов работы.....

137

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АБ аккумуляторная батарея;
АЦП аналогово-цифровой преобразователь;
Г генератор;
ДВС двигатель внутреннего сгорания;
ДПТ двигатель постоянного тока;
ЗУ зарядное устройство;
ИП импульсный преобразователь;
КПД коэффициент полезного действия;
КПП коробка переключения передач;
КЭУ комбинированные энергоустановки;
МВЭ металловоздушный элемент;
МТА машинно-тракторный агрегат;
ПП полупроводниковый преобразователь;
СК суперконденсаторы;
с/х сельское хозяйство;
ТС транспортное средство;
ТТС тягово-транспортное средство;
ТЭ топливные элементы;
ТЭД тяговый электродвигатель;
Ш-И широтно-импульсный;
ЭДС электродвижущая сила;
ЭМ электромобиль.

ВВЕДЕНИЕ
Экономический потенциал страны, развитие ряда отраслей экономики, повышение технологического уровня предприятий в значительной мере обусловлены уровнем развития транспортной отрасли.
Очевидным также является факт тесной взаимосвязи транспортных проблем с проблемами общей и локальной экологии, необходимостью повышения эффективности производства и экономного потребления тепловой и электрической энергии. Эти проблемы для Украины имеют чрезвычайно важное значение, учитывая отсутствие достаточных объемов собственных энергоносителей и глобальное ухудшение экологического состояния окружающей среды.
Отметим, что в настоящее время создание гибридных транспортных средств и широкое их внедрение в мировой практике приобретает все большее значение. Наряду с разработкой новых источников первичной энергии (аккумуляторных батарей и электрохимических генераторов) большое внимание уделяется повышению эффективности всей системы энергопитания, включая бортовой источник энергии, электропривод и ряд вспомогательных устройств. Исследование таких систем с учетом различных особенностей, характеристик и параметров отдельных компонентов системы, нагрузочных режимов и способов управления является сложной теоретической проблемой, которая на данный момент не имеет полного решения. В то же время высокий уровень требований, которые предъявляются к создаваемым новым системам энергопитания гибридных транспортных средств, обуславливает необходимость оптимальной технической реализации этих систем и требует глубокого анализа электромагнитных процессов в системе, исследования ее энергетической эффективности, с целью минимизации затрат энергии, еще на стадии разработки. В полной мере это относится и к электротранспортным средствам сельскохозяйственного назначения, которые сегодня находят все более широкое применение.
Актуальность темы. На сегодняшний день достаточно широко применяются гибридные системы энергоснабжения транспортных средств, которые можно рассматривать как переходной этап перед чистым электроприводом. Исследованиями и разработками в этой сфере занимается ряд научных организаций и фирм, например, Mitsubishi, Toyota, General Мotors и другие. Такая работа в данной области проводится и в странах СНГ, в частности длительное время разработкой гибридных систем занимаются в Институте электродинамики НАН Украины.
Применение гибридных трансмиссий дает два положительных эффекта это повышен

Список літератури

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основании полученных результатов решена актуальная научная задача повышения эффективности комбинированной системы питания электротранспортного средства сельскохозяйственного назначения за счет установления оптимальных энергетических взаимосвязей между элементами системыпри резкопеременных нагрузках и разработки новых алгоритмов управления потоками энергии.
В результате проведенных исследований сделаны следующие выводы:
1. На основе проведенного анализа методов повышения эффективности систем энергопитания электротранспортных средств сельскохозяйственного назначения при работе с резкопеременными нагрузками обоснована целесообразность применения электромеханической трансмиссии с накопителем энергии и разработки новых алгоритмов управления, обеспечивающих максимально возможный КПД системы.
2. Исследованы энергетические взаимосвязи компонентов силового энергооборудования при резкопеременных нагрузках в комбинированной системе энергопитания электротранспортного средства сельскохозяйственного назначения, на основании которых были построены модели механической, электромеханической и гибридной трансмиссий.
3. Разработанная новая обобщающая модель электромеханической трансмиссии дала возможность учитывать различные нагрузочные режимы МТА для широкого ряда компонентов (электродвигателей, генераторов и преобразовательных устройств), что позволило ко проанализировать характер динамических процессов в системе и установить тенденцию сокращения потребления топлива только за счет стабилизации оборотов ДВС.
4. Установлено, что оптимальным диапазоном регулирования потоков энергии от АБ и генератора с точки зрения максимального КПД системы в целом является: для АБ γ = 00,4 (γ коэффициент заполнения импульсов управления), для генератора γ = 0,61.
5. На основании проведенного анализа колебательных процессов, возникающих при движении почвообрабатывающего комплекса, предложен метод заряда накопителя энергии, который осуществляется в комбинированной системе энергопитания непосредственно на протяжении всего периода выполнения технологических операций.
6. Разработан метод расчета параметров силовых компонентов комбинированной системы энергопитания, учитывающий резкопеременные нагрузки сопротивления движению транспортного средства сельскохозяйственного назначения, который позволяет определять энергетические показатели компонентов еще на этапе проектирования.
7. Предложеная методика определения энергетических параметров компонентов бустерного источника энергопитания электротранспортного средства с учетом возможности его применения в закрытых помещениях сельскохозяйственного назначения, позволяет разработать рекомендации по применению такого рода ТС в сельском хозяйстве.
8. Исследования возможностей применения суперконденсаторов в автономном электротранспорте показали, что непосредственное параллельное соединение основного источника питания и суперконденсатора не всегда дает положительный результат и требует разнесения во времени процессов разряда аккумуляторной батареи и разряда суперконденсатора, что требует дополнительных полупроводниковых устройств.
9. Построен и исследован макетный образец транспортного средства сельскохозяйственного назначения с комбинированной системой энергопитания, для которого разработаны системы стабилизации выходного напряжения генератора и стабилизации скорости движения, а также система управления тяговым электродвигателем.
10. Разработана система мониторинга и регистрации электромагнитных, механических и тепловых параметров автономного электротранспортного средства, позволяющая проводить их измерение в реальном времени (во время выполнения технологических операций).
11. Достоверность и обоснованность теоретических положений, выводов и рекомендаций подтверждена результатами компьютерного моделирования и экспериментальными исследованиями. Полученные результаты нашли практическое применение при разработке современных трансмиссий и перспективных сельскохозяйственных тракторов на ПАО «Харьковский тракторный завод им. С.Орджоникидзе» и в ННЦ «Институт механизации и электрификации сельского хозяйства» при разработке тракторов с электрическим приводом.
Результаты работы рекомендованы для дальнейшего внедрения на предприятиях машиностроительного профиля Министерства промышленной политики Украины.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Аликин Р.И. Экспериментальное определение доба­вочных пульсационных потерь и КПД тяговых электродвигателей пульсирующего тока / Аликин Р.И., Захаров А.Г.// Сб.науч.тр. Всесоюзного научного проектно-конструкторского и технологического ин-та электровозостроения. 1977. Вып. 17. С. 84 91.
2. Алферов В.Г. Система управления двигателем посто­янного тока на микропроцессоре / Алферов В.Г., Жулев В.В. // Тр. Моск. энерг. ин-та. 1981. № 520. С. 60 67.
3. Бедфод Б. Теория автономных инверторов / Бедфод Б., Хофт Р. М.: Энергия, 1969. 280 с.
4. Бирзниекс Л.В. Импульсные преобразователи постоянного тока / Бирзниекс Л.В. М.: Энергия, 1974. 256 с.
5. Валдырев А.С. О времени разгона и торможения электропривода постоянного тока при двухзонном регулировании / Валдырев А.С., Троицкий А.Е. // Автоматизированный электропривод. 1978. № 2. С.73 76.
6. Волков И.В. Концепция и средства контроля емкости аккумуляторных батарей / Волков И.В., Павлов В.Б., Скиданов В.М., Юрченко О.Н. // Техн. електродинаміка. 1998. № 3. С.33 36.
7. Гладышев С.П. Динамика дискретно-управляемых полупроводниковых преобразователей / Гладышев С.П., Павлов В.Б. К.: Наук. думка, 1983. 223 с.
8. Глазенко Т.А. Полупроводниковые преобразователи в электро­приводах постоянного тока / Глазенко Т.А. Л.: Энергия, 1973. 304 с.
9. Глазенко Т.А. Оптимизация алгоритмов уп­равления тиристорными преобразователями в системах электро­привода / Глазенко Т.А., Герман-Галкин С.Г. // Полупроводников. преобразователи современных систем электропривода пром. установок и приборных комплексов: ма­териалы краткосрочного семинара, (Ленинград, 16-17 ноября 1982 г.). Л., 1982. С.43 47.
10. Гурьянов Д.И. Рациональные характеристики электромобиля / Гурьянов Д.И., Луценко В.Н., Гурьянов А.Н., Карпов Д.А., Нгуен Куанг Тхиеу. // Машиностроитель. 1999. № 10. С. 15 18.
11. Диланян Э.М. Математи­ческая модель системы "аккумуляторная батарея-импульсный пре­образователь-двигатель постоянного тока" / Диланян Э.М., Вариэтян В.С., Моццэлян А.А. // Изв. АН Арм. ССР. Серия Техн. науки. 1978. 31, №3 С.16 23.
12. Доржинкевич И.Б. Особенности проектирования электрооборудо­вания электромобиля / Доржинкевич И.Б. // Электротехника. 1981 № 10 С.19 23.
13. Ефремов И.С. Перспективы применения микроэлектроники в сис­темах управления преобразовательными устройствами электро­тяги / Ефремов И.С. // Тр. Моск. энерг. ин-та. 1979. № 421. С.3 10.
14. Ефремов И.С. Тиристорно-импульсная система уп­равления электромобилей с двигателем постоянного тока / Ефремов И.С. Кузнецов А.Н. // Элек­тричество. 1978. № 2. С.38 47.
15. Зиновьев Г.С. Оптимизация алгоритмов управления вентильными преобразователями по энергетическим критериям / Зиновьев Г.С. // Преобразова­тельная техника. 1979. С.166 172.
16. Костенко М.П. Электрические машины / Костенко М.П., Питровский Л.М. М.: Энергия, 1964. Ч.1. 554 с.
17. Миллер Е.В. Об определении оптимального передаточного числа электромобиля / Миллер Е.В. // Электропривод и автоматиз. в машиностроении 1979. с. 70 75.
18. Мхитарян Н.М. Система приводу гібридного електромобіля / Мхитарян Н.М., Кудря С.А., Павлов В.Б., Попов О.В. // Пр. Ін-ту електродинаміки НАН України. К.: ІЕД НАН України, 2006. №3. С. 57 65.
19. Павлов В.Б. Міський електромобіль в Україні / Павлов В.Б., Попов О.В., Павленко В.Є., Тугаєнко Ю.П., Третяк М.В. // Технічна електродинаміка. Темат. вип. «Силова електроніка та енергоефективність». − 2011. − Ч 1. − С.127 131.
20. Павлов В.Б. Электротранспорт с автономными источниками питания (актуальность, состояние, перспектива) / Павлов В.Б., Попов А.В. // Пр. Ін-ту електродинаміки НАН України. К.: ІЕД НАН України, 2007. №1(16). Ч.2. С. 57 65.
21. Пат. № 67991, Україна, МПК(2012) НО2Р 7/00. Пристрій регулювання, синхронізації та стабілізації швидкості обертання мотор-коліс електротранспортного засобу / Павлов В.Б., Попов О.В., Третяк М.В.; заявник та патентоутримувач Інститут електродинаміки НАН України (UA); заявл. 22.08.2011; опубл. 12.03.2012, Бюл. № 5.
22. Павлов В.Б. Низковольтный импульсный транзисторный преобразователь / Павлов В.Б., Рычков В.А., Юрченко О.Н. // Техн. электродинамика. 1993. № 4. С.2731.
23. Павлов В.Б. Энергетические показатели системы аккумуляторная батарея широтно-импульсный преобразователь-двигатель постоянного тока электромобиля в тяговом режиме / Павлов В.Б., Скиданов В.М. // Техн. электродинамика. 1983. № 6 С.61 69.
24. Павлов В.Б. Энергетические показатели системы АБ-ШИП-ДПТ электромобиля в тяговом режиме / Павлов В.Б., Скиданов В.М. // Техн. электродинамика. 1983. № 6. С. 61 69.