Главная  Журналы 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 [ 29 ] 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

функции пропорционально-токового регулирования тока базы, защиты по максимальному току, мгновенной мощности и температуре СТК, управления устройствами формирования траектории (УФТ) и регулирования возбуждения (УРВ) и оп-тронной развязки с подсистемой МПСУ.

Подсистема МПСУ предназначена для обработки информации с целью выработки импульсных управляющих воздействий на СТК, УРВ и УФТ, а также для осуществления функций блокировок от нерегламентированных действий водителя, диагностики и контроля. Подробно алгоритмы работы МПСУ будут рассмотрены в седьмой главе.

Опытный образец транзисторного импульсного преобразователя электромобиля представляет собой законченный функциональный узел коробчатой конструкции с наружным ореб-рением для отвода теплоты. На переднюю панель выведены клеммы подключения аккумуляторной батареи и силовой цепи двигателя, два разъема для подключения внешних датчиков (от педалей хода и торможения, реверсора, тахогенератора) и обмотки возбуждения двигателя. С целью достижения высоких массогабарнтных показателей силовая часть преобразователя и управляющие каскады выполнены с широким ириме-HeniiCM гибридной интегральной технологии и интегральных микросхем.

Сравнительные испытания тиристорного и транзисторного преобразователей показали ощутимые иреимуи1ества последнего. При движении в городских условиях, представленных среднестатистическими циклами SAEj 227а применение транзисторного преобразователя дает 20-22 % увеличения длительности пробега с одной зарядки батареи. Дополнительные преимущества преобразователя заключаются в меньшем разогреве аккумуляторной батареи во время движения и создания более комфортных условий для водителя благодаря бесшумной работе преобразователя.

Глава шестая

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ПРИВОДОВ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

1. общие сведения

Повышение эффективности автономных электроприводов предполагает улучшение энергетических и технико-экономических показателей для приводов вообще, а для тяговых приводов автономного электротранспорта повышение эффективности означает, в итоге, увеличение межзарядного пробега электрокаров, электромобилей и т. п.

Проблема увеличения пробега автономного электротранспорта между зарядами бортового источника энергии - аккумуляторной батареи - может решаться по трем основным направлениям (или их совокупности): улучшение энергетических и технико-экономических показателей элементов бортового электрооборудования машин; использование режима рекуперативного торможения с возможно максимальным количеством возвращаемой в аккумуляторную батарею энергии; разработка принципов и систем управления силовыми иреоб-зазователями для обеспечения оптимальных режимов движения машины.

Первое из указанных направлений предполагает создание высокоэффективных аккумуляторных пиковых преобразователей, тяговых элементов. Однако в настоящее время уровень электротехнических технологий обеспечивает практически для каждого из указанных элементов значения удельных энергетических показателей максимально близкие-, к теоретическому пределу. Очевидно дальнейшие исследования в этом направлении потребуют больших капиталовложений при весьма незначительных улучшениях уже имеющихся показателей, за исключением аккумуляторных батарей, совершенствование которых будет способствовать улучшению энергетических показателей автономного источника питания.

Более целесообразной оказывается ориентация исследований на разработку средств управления, позволяющих

батарей, полупровод-двигателей и других



оптимизировать режимы работы систем преобразовательной техники. Под оптимизацией подразумевается исследование и внедрение в практику лучшего сочетания между рабочими характеристиками, эффективностью, пробегом, надежностью и стоимостью системы.

Современные методы расчета оптимального управления, которые могут применяться при разработке систем электро-

привода [78

-------------

позволили сделать вывод о целесообразности применения для оптимизации управления приводами методов аналитического конструирования регуляторов и целенаправленного перебора вариантов управлений. При этом подавляющее большинство известных работ, имеющих целью повышение эффективности систем приводов [6, 9, 15, 44, 64-66, 73, 109, 130), ограничиваются исследованием различной природы потерь в элементах этих систем, не связывая при этом изучаемый показатель с управляющими воздействиями. Типичным примером решения оптимизационной задачи по отношению к тяговым приводам является реализация оптимального режима для одного из элементов системы привода, например, двигателя [110, 132] или аккумуляторной батареи [119]. Такая односторонняя оптимизация ие может в полной мере обеспечить поБьннеиие эффективности привода в целом, а в ряде случаев дает взаимоисключающие результаты. Таким образом, зтпешное решение задачи новын1ения эффективности автономных приводов постоянного тока с импульсными преобразователями должно основываться на полном анализе энергетических показателей как отдельных элементов, так и системы привода в целом. Из всего многообразия энергетических показателей целесообраз(Ю проанализировать КПД, как наиболее общий показатель энергетической эффективности, связав его в соответствующих выражениях с параметрами управления преобразователем - элементом, определяющим режимы работы всей системы привода. Оптимизация произвольных режимов работы систем привода проводится с учетохМ соответствующих критериев и результатов анализа зависимостей КПД от параметров управления преобразователем.

2. КПД систем привода как функция основных параметров управления преобразователем

Систему автономного привода постоянного тока следует рассматривать совместно с источником энергии, поскольку системы этого класса являются, своего рода, «замкнутыми» и процессы в них определяются взаимовлиянием составляющих элементов. Поэтому, рассмотрению подлежит базовая структу-


ра системы аккумуляторная батарея (АБ) ..

образователь (ИП) - двигатель постоянного тока (ДПТ), ко-

импульсный пре-

торая при необходимости может дополняться такими элементами, как фильтры (входные или выходные), обратные или шунтирующие диоды и др.

Описываемая методика разработана с целью получения выражений КПД для различных элементов и системы АБ --- ИП - ДПТ в целом, приведенных к одной системе переменных, включая основные параметры управления преобразователем - частоту и скважность импульсов напряжения. При этом предполагается минимизация числа переменных в конечных выражениях для КПД. Методика состоит из следующих этапов.

1. Выделение в структурной схеме системы привода элементов и контуров для определения КПД в них. Поскольку в системе привода имеются элементы, определение КПД которых не имеет физического смысла (например, обратный диод, конденсатор фильтра, рекуперативный тиристор и т. и.), они рассматриваются совместно с активными элементами, образуя функциональный контур.

2. Выбор базового параметра - тока нли напряжения либо и тока, н напряжешя - для одрюго из элементов системы. Через этот параметр выражаются соответствующие величины остальных элементов. Так, для систем привода с регулированием частоты вращения двигателя импульсным преобразователем в качестве базового параметра целесообразно принять средний ток якоря или средний ток преобразователя за время его открытого состояния и напряжение источника питания.

3. Определение средних и действующих значений токов и напряжений в элементах (контурах) системы, а также мощности потребления и потерь в каждом элементе (контуре) системы. Указанные величины определяются за время, соответствующее одному периоду коммутации.

4. Выбор базового параметра, по отношению к которому целесообразно осуществить переход к относительным единицам для выражений мощности потерь и потребления, а также токов элементов (контуров) системы. Целесообразность выбора того нли иного параметра определяете максимумом упрощений в выражениях, получаемых в относительных единицах по сравнению с соответствующими выражениями в абсолютных единицах. Таким параметром может быть ток к. з. источника

питания илн двигателя, а также соответствующие мощности к. 3.

5. Определение безразмерных коэффициентов, связывающих между собой базовые параметры приведения к относительным единицам (если используются два и более таких



параметра), а также коэффициентов, задающих отношение некоторых постоянных абсолютных величин (например, отношение сопротивлений элементов). Широкое использование таких коэффициентов позволяет минимизировать как число переменных величин, входящих в аналитические выражения, так и число постоянных величин, входящих в эти выражения, что облегчает расчет и анализ энергетических показателей системы привода при замене в ней элементов с одними техническими характеристиками на функционально аналогичные элементы с другими характеристиками.

6. Определение КПД элементов (контуров) системы привода с импульсным полупроводниковым преобразователем.

7. Определение общего КПД системы АБ - ИП - ДПТ можно выполнить двумя способами.

7.1. Перемножением значений КПД отдельных элементов для соответствующих режимов, при этом достигается максимальная точность результатов, однако требуется поэтапное вычисление КПД отдельных элементов для каждого конкретного режима при данной комбинации значений переменных, входящих в формулу КПД данного элемента.

7.2. Определением текущего значения КПД системы по формуле, которую можно получить, основываясь на следующих положениях. Пусть имеется устройство, состоящее из п функциональных блоков, каждый из которых потребляет некоторую мощность Я, А,..., Рп и характеризуется мощностью потерь ДЯх, АРо-м Общий КПД системы определит-ся по формуле = П (1 - APilPi). Раскрывая это произ-

<1

ведение,

получаем

1 ДР,/Р,

ДР2/Я2

Ьстаток R определяется алгебраиче-

А П Л П . Л Р . . / Р .- 1

... - APjPn + R- остаток А wiipM----------

ской суммой дробей вида AP-iAP/ APiJ,-\iPi-\PiPi\ и является величиной пренебрежимо малой по сравнению с отношениями APilPiy так как в реальных системах мощность потерь намного меньше мощности потребления, а значит отношение их произведений при двух, трех и т. д. сомножителях убывает пропорционально квадрату, кубу и т. д. величины и без того малого отношения APt/Pi. Таким образом, для практических расчетов можно использовать формулу

ц==:1~ APJP, - АР,/Р, ... APJP,. (6.1) Часто для расчета КПД используют выражение, являющееся следствием (6.1) при допущении, что мощности, потребляемые блоками системы, равны, т. е. Pi = Р2 - « "

Тогда п

= 1 - £ ДР,/Р.

Однако в большинстве случаев для импульсных систем условие равенства мощностей потребления нельзя считать корректным, так как в один и тот же момент времени в течение периода одни элементы находятся "в проводящем (потребляющем) состоянии, а другие - в состоянии функциональной паузы. Рассматривая источник энергии системы как один из ее элементов и считая его внутреннюю мощность мощностью потребления системы Pi (APj - потери в источнике) и вводя коэффициенты приведения мощности k- = Рх/Рг; 2 = P\IPz\ ••• kn-\ == Р\1Рпл из (6.1) получаем формулу для определения общего КПД системы

т] = 1 - (APj + fej ДРз + зДРз -

- kniAP,)/P,. (6.2)

Как показали расчеты, погрешность результата, полученного по формуле (6.2), не превышает 5-10 % по сравнению с результатом поэлементного перемножения значений КПД элементов системы.

3. Энергетические показатели элементов и систем привода в тяговом режиме

Рассмотрим схему импульсного регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока (рис. 52, а). Импульсный преобразователь П выполняет роль бесконтактного полупроводникового ключа. Изменяя скважность импульсов питающего напряжения, можно регулировать число оборотов двигателя в широком диапазоне. При расчете элементов силовой цепи с импульсным полупроводниковым преобразователем приняты следующие допущения: 1) ток в цепи якоря протекает непрерывно; 2) полупроводниковые приборы являются безынерционными ключами; 3) сопротивления элементов преобразователя м источника питания, входящих в состав цепи нагрузки на отдельных коммутационных интервалах, остается неизменным; 4) поток возбуждения тягового двигателя не зависит от нагрузки, а сопротивление и индуктивность цепи якоря величины постоянные. При этом ЭДС двигателя также является постоянной в течение периода коммутации; 5) изменение частоты вращения двигателя за период ттереключений для каждого фиксированного момента сопротивления отсутствует.

Принятые допущения позволяют с достаточной степенью точности провести необходимые расчеты элементов силовой цепи привода постоянного тока, используя линейные дифференциальные уравнения, а для элементов с малыми индуктив-ностями,- уравнения, получаемые на основе описания токов н них кусочно-линейными функциями.





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 [ 29 ] 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45