Журнал -производственного предприятия “ КВАНТ“ (стр. 14 )

       ЭЛЕКТРОМОБИЛИ        

МЕТОДИКА  РАСЧЕТА  РАСХОДОВ  НА  ПОДГОТОВКУ  ПРОИЗВОДСТВА

Перспективные разработки оборудования для автономных энергосистем и тяговых электроприводов

, к. т.н.,  , к. т.н.

•

Целью  разработок является достижение максимальной энергетической и электромеханической эффективности автономных энергосистем (АЭС) и тяговых электроприводов (ТЭП) и снижение стоимости производства и эксплуатационных расходов.

Теоретические (расчетные) основы разработок

Транспортное средство с автономной энергосистемой и тяговым электроприводом (ТЭП) требует организации совместной работы как электрических (электродвигатель, генератор, аккумуляторная батарея), механических (трансмиссия), так и тепловых агрегатов (двигатель внутреннего сгорания). Определение рациональных законов управления ТЭП является многофакторной задачей, решение которой может быть получено при помощи аналитических исследований.

Разработки систем тягового энергетического оборудования, представленные в настоящей статье, базируются на теории электромеханического преобразования энергии в асинхронной машине (АМ) с короткозамкнутым ротором. При этом ключевыми являются уравнения АМ, записанные в векторной форме для неподвижной системы координат статора [1]:

где – соответственно векторы потокосцепления статора и ротора; – векторы напряжений на обмотках статора и ротора;   – векторы токов в обмотках статора и ротора; – вектор электромагнитного момента; Rs,  Rr  – активные сопротивления обмоток статора и ротора; Ls,  Lr – полные индуктивности обмоток статора и ротора; Lm – взаимная индуктивность обмоток статора и ротора (полная индуктивность обмотки статора от основного магнитного потока); ? – угловая частота вращения ротора электрической машины с одной парой полюсов; p – число пар полюсов.

Для решения системы уравнений электромеханического преобразования асинхронного двигателя можно воспользоваться уравнениями, записанными относительно потокосцеплений [2]:

где

.

Токи статора и ротора определяются, исходя из выражений [2]:

где .

Система уравнений электромеханического преобразования энергии при постоянных коэффициентах перед переменными – нелинейная и решается численными методами.

Определение рациональных законов управления электрической машиной

Приведенные выше уравнения асинхронной машины справедливы как для переходных, так и для установившихся режимов работы АМ. Для описания работы АМ в установившемся режиме, а также с нагрузкой, обладающей значительной инерционностью (приведенный к валу момент инерции нагрузки во много раз превышает собственный момент инерции АМ), дифференциальные уравнения электромеханического преобразования энергии могут быть упрощены, что в свою очередь облегчает формулировку основных принципов регулирования работы асинхронной машины. Для этой цели эффективным может быть описание АМ при помощи схем замещения в установившемся режиме позволяющих записать основные зависимости электрических и электро­механических параметров АМ в упрощенной форме, адаптированной к реализации на программном и аппаратном уровне в устройствах управления электроприводом.

На основании аналитических исследований и практического опыта для реализации в системе ТЭП выбран частотно-токовый способ управления с минимизацией потерь энергии в асинхронной тяговом электродвигателе-генераторе (АТД) при реализации тяговых и тормозных режимов.

Алгоритм управления асинхронной машины базируется на математических зависимостях параметров АТД, соответствующих Т-образной схеме замещения.

В пределах напряжений фазы статора U1 < U1макс. 

- момент АТД равен:

- максимальная величина момента АТД достигается при заданном токе I1 и оптимальном значении  ?опт. = r2/ (xm+ x2:), что реализуется системой автоматического управления КПО в зоне ШИМ.

В пределах напряжений фазы U1 = U1макс.

- момент АТД определяется выражением:

где А(??) = (r12+ xm2?2) ?2  + 2 r1r2:?? + (r12/xm2 + ?2) r22, откуда следует возможность управления величиной М путем воздействия на параметры  ?  или  ? согласно приведенным уравнениям, где М – электромагнитный момент в зазоре АТД; KI, КU  - постоянные коэффициенты; Ud  - напряжение на входе трехфазного тягового инвертора напряжения; ? - коэффициент модуляции; r1, х1 - активное и индуктивное сопротивление статора АТД;  r2  -  приведенное активное сопротивление ротора АТД; xm  - индуктивное сопротивление цепи намагничивания, ?, ? - частоты токов статора и ротора  АТД (отнесенные к номинальному значению частоты тока статора) ? = fl / flн  и ? = f2 / flн.

Управление величиной М может быть реализовано принудительным заданием тока статора I1 и абсолютного скольжения f2 посредством автоматической системы управления, выполняющей поддержание заданных величин I1 и f2 с использованием обратных связей по фактическим значениям тока I1 и частоты f вращения вала АМ, при этом текущая величина частоты напряжения фаз АМ определяется согласно зависимости f1 = f · p ± f2, где р – число пар полюсов АМ.

Таким образом реализуется принцип частотно-токового управления АМ во всем диапазоне изменения М и f.

Оптимизация частотно-токового управления основана на принципе автоматического поддержания максимальной величины момента М в функ­ции абсолютного скольжения ?опт. при заданном токе I1. При этом учи­тывается изменение xm от Im, что приводит к зависимости ?опт. от I1.

С целью упрощения практической реализации функция ?опт. от I1, опреде­ляется экспериментально по частным зависимостям М(?), при  I1 = I1з – const.

С достаточным приближением может быть принята линейная зависимость ?опт. от I1, при М = Ммакс. в соответствии с уравнением ?опт. = ?0 + k? • I1, где ?0 – начальная величина ?опт.; k? – постоянный коэффициент (k? =??опт /?I1).

Необходимым условием рационального управления асинхронным тяговым электродвигателем-генератором (АТД) в составе ТЭП является формирование трехфазного управляемого напряжения ориентированное на:

- максимальное использование напряжения силового источника постоянного тока;

- максимальное приближение тока фазы к синусоидальной форме;

- снижение коммутационных потерь энергии в силовых вентилях инвертора.

Реализация перечисленных выше факторов может быть достигнута при исполь-зовании двухзонного формирования фазных напряжений инвертора U1, при этом:        

В первой зоне, при U1 <U1макс. применяется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) длительности импульсов управления силовых транзисторов с её реализацией ШИМ – одновременно по двум фазам. При этом управление верхним и нижним транзисторами в каждой фазе производится поочередно с частотой 4,5 - 5 кГц, а управление величиной U1 осуществляется изменением коэффициента модуляции.

Во второй зоне при U1 = U1макс. применяется амплитудно-ступенчатая модуляция U1 по гармоническому закону (АСМ) при длительности каждой ступени 60 временных градусов.

Структурная схема АЭС и ТЭП

Рис. 1. Структурная схема системы автономного энергообеспечения и ТЭП:

АЗУ – автоматическое зарядное устройство, БАУ – блок автоматического управления, БНЭ – батарея накопителей энергии, БСК – блок силовой коммутации, ВН – выпрямитель напряжения, ИСН – источник собственных нужд, КПУ – комплект преобразовательного оборудования и устройств управления,

КСП – комплект силовых преобразователей напряжения, ОРС – оперативный регулятор скорости,

ПУСК – пульт управления, сигнализации и контроля, ЭДГ – электродвигатель-генератор.

Известные варианты АСМ отличаются длительностью одноразовой коммутации силового вентиля инвертора в пределах периода напряжения фазы.

По условию достижения максимально возможной величины напряжения фазы U1 при заданном Ud, выбран вариант АСМ по гармоническому закону: U1= Ud (cos?n/3), где n – натуральный ряд чисел.

Переход между зонами ШИМ – АСМ реализуется плавно при достижении максимального коэффициента ШИМ.

Фотографии отдельных блоков автономных функциональных устройств (АФУ) представлены на рис. 2 ? 4

 

Функциональные связи АФУ в конструктивном исполнении

Рис. 5. Схема функциональных связей АФУ.

Объекты практической реализации

 

МФТС включает комплект силового преобразовательного оборудования, цифровую систему автоматического регулирования тяговыми линейными электродвигателями и пульты оперативного управления движением.

Оценка технико-экономического уровня СТЭО «Квант»
в сравнении с аналогами

Рис. 10. Характеристики силовых преобразователей частоты отечественного и

зарубежного производства, удельная мощность.

Рис. 11. Характеристики силовых преобразователей частоты.

Литература

1. Ковач  процессы в машинах переменного тока / К. П.  Ковач, И. Рац;  перевод  с  немецкого  А. А.  Дартау  и  В. А.  Щедровича;  под.  ред. . М.- Л.: Госэнергоиздат, 1963. 744 с.2. Математическое моделирование электрических машин: учеб. для вузов / . М.: Высшая школа, 2001. 327с.

_________?_________

Сдано в набор 12.05.2014 г. Подписано в печать 22.05.2014 г.

Формат 60 х 84 1/8. Бумага писчая № 0.

Гарнитура «Таймс нью роман».

Отпечатано на ризографе.

Уч.-изд. л. 6,5.

Заказ № 89.

?

Адрес редакции: 129 626, Москва, 3-я Мытищинская ул., д. 16.

Телефон редакции: 8 [phone]

Отпечатано в НПП «Квант»

_________?________

1 Blueprint for a Green Economy, Pears et al, 1989.

2 Источник: таблица построена и адаптирована для России на основе доклада ЮНЕП «Навстречу «зеленой экономике»: пути к устойчивому развитию и искоренению бедности». ЮНЕП, 2011, стр.39-40. Навстречу «зеленой экономике»: пути к устойчивому развитию и искоренению бедности. ЮНЕП, 2011.

3 См., например, Будущее, которого мы хотим. Итоговый документ Конференции ООН. Рио-де-Жанейро. 19 июня 2012.

4 , , Фотоэлектрические преобразователи солнечного излучения.  Монография). Ответственный редактор академик , : Наука 1989 г.

5 Паращук  Д. Ю., Современные фотоэлектрические и фотохимическиеметоды преобразования солнечной энергии,  Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. ), 2008, т. LII, № 6, стр.107-116.

6 Двойные гетероструктуры: Концепция и применения в физике, электронике и технологии. Успехи физических наук, 2002, т. 172, № 9.

7 Двойные гетероструктуры: Концепция и применения в физике, электронике и технологии. Успехи физических наук, 2002, т. 172, № 9.

8 Нанотехнологии в солнечной энергетике. Ж. Ж.  Россия и Германия № 1, 2011, стр.60-64.

_________?_________