СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИЕЙ АВТОНОМНОЙ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ТРАНСМИССИЯ АВТОНОМНОЙ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ
METHOD FOR CONTROLLING THE ELECTROMECHANICAL TRANSMISSION OF AN AUTONOMOUS ROAD-BUILDING MACHINE AND THE ELECTROMECHANICAL TRANSMISSION OF AN AUTONOMOUS ROAD-BUILDING MACHINE

1. Предлагаемое техническое решение предназначено для применения в электромеханической трансмиссии (тяговом электроприводе) мощной автономной дорожно-строительной машины с переменным (часто циклическим) режимом нагружения. Это может быть бульдозер, фронтальный погрузчик или тому подобные машины с первичным источником энергии в виде теплового двигателя, например, дизеля (это также может быть бензиновый двигатель внутреннего сгорания, турбина и т.п.).
Известны электромеханические трансмиссии, выполненные, как правило, таким образом: дизель-генератор - силовой полупроводниковый преобразователь (один или несколько) - тяговый электродвигатель, (один или несколько), бортовые редукторы, связывающие тяговые электродвигатели с движителями (колесными или гусеничными). От дизель-генератора могут получать питание также электродвигатели, используемые для привода рабочих органов машины. Известны также электромеханические трансмиссии гибридного типа, в которых наряду с дизель-генератором - основным источником электроэнергии для электродвигателей, применяется накопитель электроэнергии (аккумуляторная батарея и/или суперконденсатор), способный принимать, запасать и хранить как избыточную электроэнергию от основного источника электроэнергии при его недогрузке со стороны движителя и/или рабочих органов, так и электроэнергию рекуперации при торможении движителя и/или рабочих органов. Накопитель электроэнергии выполняет также функцию дополнительного источника энергии, позволяющего компенсировать кратковременные набросы мощности, прикладываемые к тепловому двигателю со стороны нагрузки (рабочего органа) и, тем самым, обеспечить стабильный и экономичный режим его работы [1, 2, 3, 4].
Однако, технические решения [1, 2, 3, 4] не предусматривают использование накопителя энергии в режиме, когда нагрузка со стороны рабочего органа существенно возрастает на относительно длительный период времени.
Рабочие режимы дорожно-строительных машин характеризуются значительными перепадами скоростей, развиваемых сил тяги и мощности. Так, например, на рабочем органе бульдозера при выполнении такой операции, как разравнивание грунта, усилие может изменяться в 1,5 раза и более. При постоянной мощности, отдаваемой дизель-генератором, такое увеличение усилия должно сопровождаться обратно-пропорциональным уменьшением скорости перемещения (движения), что снижает производительность бульдозера. Для поддержания скорости движения на неизменном уровне необходимо увеличить подводимую к тяговым электродвигателям мощность (соответственно в 1,5 раза и более) на сравнительно небольшое время (единицы, реже - десятки секунд). Это может достигаться разными способами.
Например, можно применить дизель, мощность которого соответствует режиму с максимально возможным усилием на рабочем органе. Однако это приведет к тому, что в продолжение значительного времени рабочего цикла дизель будет работать с пониженной мощностью. Эффективность такого решения будет невысокой, как вследствие недоиспользования дизеля по мощности, так и вследствие низкой экономичности дизеля при работе на частичных характеристиках.
Другой способ кратковременного значительного увеличения мощности, отдаваемой на тягу, заключается в подключении дополнительного источника мощности (энергии), например аккумуляторной батареи. Этот, предлагаемый в настоящем техническом решении, способ и его техническая реализация описаны в последующем изложении.
2. Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в том, чтобы сохранить основные достоинства вышеупомянутых технических решений [1, 2, 3, 4] и других, аналогичных им, и одновременно обеспечить высокую производительность дорожно-строительной машины.
В предложенном техническом решении многие основные силовые компоненты электромеханической трансмиссии аналогичны представленным в технических решениях [1, 2, 3, 4]. Это, в частности, касается накопителя электроэнергии и электрических машин, применяемых в качестве генератора и электродвигателей. Это могут быть как асинхронные электрические машины, так и одна из множества разновидностей синхронных машин. В приведенном ниже описании предложенного технического решения предполагается, в качестве примера, использование в качестве как генератора, так и тяговых электродвигателей одной из разновидностей синхронных машин - вентильно-индукторной электрической машины, объединяющей в себе силовой полупроводниковый преобразователь и электромеханический преобразователь.
3. Желаемый эффект (решение поставленной задачи) - обеспечение высокой производительности дорожно-строительной машины - достигается тем, что электромеханической трансмиссией дорожно-строительной машины, содержащей: дизель-генератор - основной источник электроэнергии (мощности) для электродвигателей, осуществляющих привод движителя упомянутой дорожно-строительной машины, накопитель электроэнергии (аккумуляторная батарея и/или суперконденсатор), при этом основной источник электроэнергии - генератор (или генератор с силовым полупроводниковым преобразователем) имеет два полюса (шины) «плюс» и «минус», накопитель электроэнергии имеет два полюса (шины) «плюс» и «минус», электродвигатели (или электродвигатели с силовыми полупроводниковыми преобразователями) объединены в группу и подключены параллельно так, что упомянутая группа электродвигателей также имеет два полюса (шины) «плюс» и «минус»; силовые полупроводниковые преобразовательные и коммутирующие устройства, управляющие устройства (например, системы управления электротрансмиссией и дизель-генератором) и органы, датчики электрических, механических и тепловых параметров, а также бортовые редукторы, связывающие тяговые электродвигатели с движителями (колесными или гусеничными), согласно предложенному техническому решению управляют следующим образом (способом):
а) генератор (или генератор с силовым полупроводниковым преобразователем), накопитель электроэнергии и упомянутую группу электродвигателей при помощи преобразовательного устройства подключают таким образом, что электрическая энергия (мощность) передается от генератора к группе электродвигателей для совершения полезной работы, а в случае, когда группа электродвигателей по условиям выполняемой работы не может полностью поглотить мощность, развиваемую генератором, избыточная (оставшаяся часть) мощности поступает в накопитель электроэнергии и запасается в нем, причем величину этой мощности регулируют;
б) если же величина требуемой полезной мощности превышает полную мощность дизель-генератора, что выявляется при помощи датчика тока группы электродвигателей или иного датчика, несущего аналогичную информацию, генератор, накопитель электроэнергии и упомянутую группу электродвигателей при помощи преобразовательного устройства подключают иным образом, а именно так, чтобы мощности генератора и накопителя электроэнергии суммировались при их включении в последовательную цепь и суммарная мощность передавалась к группе электродвигателей для совершения полезной работы;
в) при способе подключения генератора, накопителя и группы электродвигателей, описанном в п. а) осуществляют режим передачи мощности от накопителя электроэнергии к упомянутой группе электродвигателей; при этом генератор отключен (аварийный или специальный режим);
г) при способе подключения генератора, накопителя и группы электродвигателей, описанном в п. а) осуществляют режим электрического торможения; при этом генератор отключают, группу электродвигателей переводят в генераторный режим и энергию торможения (рекуперации) запасают в накопителе электроэнергии, причем величину этой мощности регулируют.
Для реализации вышеописанного способа управления электромеханической трансмиссией автономной дорожно-строительной машины, содержащей: дизель-генератор - основной источник электроэнергии (мощности) для электродвигателей, осуществляющих привод движителя упомянутой дорожно-строительной машины, накопитель электроэнергии (аккумуляторная батарея и/или суперконденсатор), при этом основной источник электроэнергии - генератор (или генератор с силовым полупроводниковым преобразователем) имеет два полюса (шины) «плюс» и «минус», накопитель электроэнергии имеет два полюса (шины) «плюс» и «минус», электродвигатели (или электродвигатели с силовыми полупроводниковыми преобразователями) объединены в группу и подключены параллельно так, что упомянутая группа электродвигателей также имеет два полюса (шины) «плюс» и «минус»; силовые полупроводниковые преобразовательные и коммутирующие устройства, управляющие устройства (например, системы управления электротрансмиссией и дизель-генератором) и органы, датчики электрических, механических и тепловых параметров, а также бортовые редукторы, связывающие тяговые электродвигатели с движителями (колесными или гусеничными), согласно предложенному техническому решению в электромеханическую трансмиссию введен согласующий силовой полупроводниковый преобразователь и блок управления им; в состав упомянутого преобразователя входят: полупроводниковый диод, первый и второй полностью управляемые полупроводниковые вентили и токоограничивающий резистор, подключенные таким образом, что подключенные вместе анод упомянутого диода и коллектор первого из упомянутых вентилей образуют первый вывод (клемму) упомянутого согласующего преобразователя, катод упомянутого диода образует второй вывод согласующего преобразователя, подключенные вместе эмиттер первого и коллектор второго упомянутых вентилей образуют третий вывод упомянутого согласующего преобразователя, эмиттер второго вентиля образует четвертый вывод согласующего преобразователя; к коллектору и эмиттеру второго вентиля подключены выводы токоограничивающего резистора; полюсы «минус» генератора и «минус» группы электродвигателей подключены к четвертому выводу согласующего преобразователя; полюс «плюс» генератора подключен к первому выводу согласующего преобразователя; полюс «минус» накопителя электроэнергии подключен к третьему выводу согласующего преобразователя, полюс «плюс» накопителя электроэнергии и полюс «плюс» группы электродвигателей подключены ко второму выводу согласующего преобразователя.
В качестве вышеупомянутых полностью управляемых полупроводниковых вентилей применены биполярные транзисторы с изолированным затвором - insulated gate bipolar transistor - IGBT.
Вышеупомянутый блок управления первым и вторым полностью управляемыми полупроводниковыми вентилями согласующего преобразователя снабжен первым и вторым выходами, сигналы с которых (1 - включить, 0 - выключить, ψ - модулированный, например, по методу широтно-импульсной модуляции (ШИМ) сигнал, принимающий значения 0 или 1) поступают на соответствующие управляющие входы упомянутых вентилей; комбинации сигналов блока управления соответствуют следующим режимам работы электромеханической трансмиссии:
- 0ψ - к генератору подключена группа электродвигателей и накопитель электроэнергии для поглощения избыточной мощности (при недогрузке со стороны движителя) - рабочий режим; мощность (ток) накопителя электроэнергии поддерживается ШИМ-сигналом на уровне, заданном системой управления электротрансмиссией;
- 10 - группа электродвигателей подключена к генератору и последовательно с ним включенному накопителю электроэнергии - рабочий режим при нехватке мощности основного источника электроэнергии;
- 01 - группа электродвигателей подключена к накопителю электроэнергии -рабочий режим работы электродвигателей при отключенном генераторе;
- 0ψ - при отключенном генераторе группа электродвигателей подключена к накопителю электроэнергии - поглощение энергии накопителем при генераторном режиме работы электродвигателей (рекуперативное торможение); мощность (ток) накопителя электроэнергии поддерживается ШИМ-сигналом на уровне, заданном системой управления электротрансмиссией;
где: левый знак - код управляющего сигнала первого из упомянутых вентилей, правый знак - код управляющего сигнала второго вентиля.
В качестве как генератора, так и электродвигателей электромеханической трансмиссии применена вентильно-индукторная электрическая машина (Switched Reluctance Motor), объединяющая в себе силовой полупроводниковый преобразователь и электромеханический преобразователь.
4. Ниже представлены следующие иллюстрации характеризующие сущность предлагаемого технического решения - электромеханической трансмиссии дорожно-строительной машины.
На фиг. 1 представлена упрощенная структурная схема электромеханической трансмиссии дорожно-строительной машины.
На фиг. 2 представлены устройство и схема подключения согласующего силового полупроводникового преобразователя.
На фиг. 3 представлена структурная схема блока стабилизации напряжения генератора.
На фиг. 4 представлена структурная схема блока стабилизации частоты вращения электродвигателя.
На фиг. 5, 6, 7, 8 представлены результаты математического моделирования работы электромеханической трансмиссии дорожно-строительной машины, а именно осциллограммы зависимости от времени основных параметров при реализации режима значительного и продолжительного возрастания момента со стороны нагрузки (на рабочий орган машины).
Фиг. 5. - момент нагрузки и момент тягового электродвигателя - верхняя осциллограмма; частота вращения тягового электродвигателя и генератора - нижняя осциллограмма.
Фиг. 6. - мощность, потребляемая нагрузкой, и мощность, развиваемая тяговым электродвигателем - верхняя осциллограмма; мощность, развиваемая дизелем и мощность, развиваемая аккумуляторной батареей - нижняя осциллограмма.
Фиг. 7. - токи тягового электродвигателя, генератора и аккумуляторной батареи - верхняя осциллограмма; и напряжения тягового электродвигателя, генератора и аккумуляторной батареи - нижняя осциллограмма.
Фиг. 8. - три осциллограммы (сверху вниз): уровень заряда (SOC - State of Charge), ток (Current) и напряжение (Voltage) аккумуляторной батареи.
5. Устройство предлагаемого технического решения представлено на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4.
На фиг. 1 представлена упрощенная структурная схема электромеханической трансмиссии дорожно-строительной машины. Вал дизеля 1 при помощи соединительной муфты соединен с валом электрической машины (электромеханический преобразователь) 2, к фазным выводам которой подключен силовой полупроводниковый преобразователь 3, обладающий способностью двусторонней передачи энергии. Устройства 2 и 3 в совокупности образуют электрогенератор (далее - генератор) 4.
В настоящем техническом решении под генератором 4 понимается вентильно-индукторная электрическая машина (Switched Reluctance Motor), объединяющая в себе электромеханический преобразователь 2 и силовой полупроводниковый преобразователь 3, но это может быть и другой тип электрической машины, применение которой потребует некоторых изменений как в силовой части, так и в управлении ей. Дизель 1 и генератор 4 вместе образуют установку, обычно называемую дизель-генератор 5.
К выводам «+» и «-» генератора, образующим звено постоянного тока электротрансмиссии, через согласующий силовой полупроводниковый преобразователь 6 подключен обладающий способностью двусторонней передачи энергии преобразователь 7, образующий в совокупности с электрической машиной 8 тяговый электродвигатель 9, вал которого через редуктор 10 соединен с колесом (движителем) 11.
В реальных мощных электротрансмиссиях число тяговых электродвигателей (соответственно редукторов и приводных колес), как правило, не меньше двух. На фиг. 1 группа тяговых электродвигателей, подключенных параллельно, условно представлена одним тяговым электродвигателем 9. В настоящем техническом решении под тяговым электродвигателем 9 также понимается вентильно-индукторная электрическая машина (Switched Reluctance Motor), объединяющая в себе силовой полупроводниковый преобразователь 7 и электромеханический преобразователь 8, но это может быть и другой тип электрической машины, применение которой потребует некоторых изменений как в силовой части, так и в управлении ей.
Следует отметить, что движитель может быть не только колесным, но и гусеничным. Аппараты коммутации и защиты и вспомогательное оборудование на фиг. 1 и фиг. 2 не представлены.
На фиг. 1 изображен также накопитель 12 электроэнергии (аккумуляторная батарея, суперконденсатор, маховик или иное). В дальнейшем изложении в качестве накопителя 12 электроэнергии будет упоминаться аккумуляторная батарея 12.
Управление режимами работы электротрансмиссии осуществляет система управления 13 электромеханической трансмиссией, информационно двусторонне связанная:
- с системой управления 14 дизель-генератором 5,
- с преобразователем 7 тягового электродвигателя 9,
а также получающая информацию от датчиков:
- напряжения 15 и тока 16 в звене постоянного тока («+» и «-»),
- напряжения 17 и тока 18 аккумуляторной батареи 12,
- частоты вращения 19 вала генератора 4,
- частоты вращения 20 вала электродвигателя 9
и органов управления трансмиссией («Акселератор», «Реверс», «Тормоз»).
Система управления 14 дизель-генератором 5 информационно двусторонне связана с системой управления 13 электромеханической трансмиссией, а также с преобразователем 3 генератора 4, получает информацию от датчика частоты вращения 19 вала генератора 4 и управляет подачей топлива в дизель 1, а также режимами работы генератора 4.
Реальные системы управления оперируют с более значительным числом сигналов (сигналы контроля и диагностики, защит, учет режимов и параметров основных и вспомогательных устройств и управление ими и т.д.). На фиг. 1 это не отражено.
Следует отметить также, что системы управления могут быть построены как на основе аналоговых устройств, так и на программной основе, предполагающей использование микропроцессоров. Возможны также гибридные варианты.
На фиг. 2 представлены устройство и схема подключения согласующего силового полупроводникового преобразователя 6, состоящего из:
- силового полупроводникового диода 21,
- двух полностью управляемых полупроводниковых вентилей 22 и 23 (на схеме изображены биполярные транзисторы с изолированным затвором - insulated gate bipolar transistor - IGBT),
- токоограничивающего резистора 24.
Согласующий силовой полупроводниковый преобразователь 6 снабжен четырьмя выводами (клеммами) 6-1, 6-2, 6-3, 6-4. Вывод 6-1 подключен к выводу «+» генератора 4, вывод 6-2 подключен к выводу «+» тягового электродвигателя 9 и к выводу «+» аккумуляторной батареи 12, вывод 6-3 подключен к выводу «-» аккумуляторной батареи 12, вывод 6-4 подключен к выводам «-» генератора 4 и тягового электродвигателя 9. Остальные обозначения - как на фиг. 1.
На фиг. 3 представлена структурная схема блока 25 стабилизации напряжения генератора 1, входящего в состав системы управления 14 дизель-генератором 5. Прочие устройства, входящие в систему управления 14, на фиг. 3 не представлены. В состав блока 25 входят: устройство сравнения 26 и пропорционально- интегральный (PI) регулятор 27.
На входы устройства сравнения 26 поступают:
d ref
- сигнал U уставки напряжения генератора 4 из системы управления 14 дизель-генератором 5. Источник этого сигнала - система управления 13 электромеханической трансмиссией.
d
- сигнал U от датчика напряжения генератора 4 (между выводами «+» и «-» генератора 4). На фиг. 1 датчик напряжения генератора 4 не представлен.
Ud ref
d
Разность (ошибка)  - U поступает на вход PI - регулятора 27, с выхода которого сигнал 28 передается в преобразователь 3 генератора 4.
На фиг. 4. представлена структурная схема блока 29 стабилизации частоты вращения тягового электродвигателя 9. Блок 29 входит в состав системы управления 13 электромеханической трансмиссией. Прочие устройства, входящие в систему управления 13, на фиг. 4 не представлены. В состав блока 29 входят: логическое устройство 30, вырабатывающее логические сигналы 31, устройство сравнения 32 и пропорционально-интегральный (PI) регулятор 33. При поступлении на вход логического устройства 30 сигналов «акселератор», «реверс», «тормоз» логическое устройство 30 вырабатывает соответствующие сигналы 31, поступающие в преобразователь 3 генератора 4.
На входы устройства сравнения 32 поступают:
ed ref
- сигнал ω уставки частоты вращения тягового электродвигателя 9, вырабатываемый системой управления 13 электромеханической трансмиссией;
ed
- сигнал ω от датчика 20 частоты вращения тягового электродвигателя 9.
ed ref
ed
Разность (ошибка) ω - ω поступает на вход PI - регулятора 33, с выхода которого сигнал 34 передается в преобразователь 7 тягового электродвигателя 9.
6. Ниже представлены пояснения работы предложенной электромеханической трансмиссии дорожно-строительной машины и способа управления электромеханической трансмиссией.
Оператор дорожно-строительной машины при помощи органов управления задает сигнал в систему управления 13 электромеханической трансмиссией (и далее в систему управления 14 дизель-генератором 5), определяющий уровень подачи топлива в дизель 1, тем самым задавая мощность дизеля 1. Этот сигнал может вырабатываться отдельным органом управления (на фиг. 1 не представленным) или быть связан с положением педали акселератора.
d
d ref
d
Уровень выходного напряжения U генератора 4 в звене постоянного тока («+» и «-») системой управления 13 и далее системой управления 14, как правило, задается неизменным, т.е. задается уставка напряжения U=const, но в ряде случаев может быть изменяемым в определенных пределах в зависимости от положения педали акселератора. В дальнейшем выходное напряжение U генератора 4 поддерживается на уровне, заданном уставкой напряжения, при помощи блока 25 стабилизации напряжения, входящего в систему управления 14 (см. фиг. 3).
ed ref
ed
ed ref
Положением педали акселератора оператор задает скорость движения (или скорость перемещения рабочего органа), тем самым задавая желаемую частоту вращения вала тягового электродвигателя 9 (уставку частоты вращения ω). При неизменном положении педали акселератора частота вращения ω тягового электродвигателя 9 поддерживается близкой к заданной (частоте вращения ω) при помощи блока 29 стабилизации частоты вращения, входящего в систему управления 13 (см. фиг. 4).
Дорожно-строительной машине присущи следующие режимы работы:
А) Режим работы без существенной перегрузки.
В этом режиме генератор 4, аккумуляторную батарею 12 и тяговый электродвигатель 9 (группу электродвигателей) при помощи согласующего силового полупроводникового преобразователя 6 подключают таким образом, что электрическая энергия (мощность) передается от генератора 4 к тяговому электродвигателю 9 (группе электродвигателей) для совершения полезной работы. На фиг. 2 это соответствует случаю, когда полностью управляемые полупроводниковые вентили 22 и 23 отключены (не проводят ток). От генератора 4 ток к тяговому электродвигателю 9 проходит через диод 21. Как отмечено выше, скорость задается положением педали акселератора.
В случае, когда тяговый электродвигатель 9 (группа электродвигателей) по условиям выполняемой работы не может полностью поглотить мощность, развиваемую генератором 4, избыточная (оставшаяся часть) мощности поступает в аккумуляторную батарею 12 (ток проходит от вывода «+» тягового электродвигателя 9 через аккумуляторную батарею 12 и токоограничивающий резистор 24) и запасается в ней, причем величину этой мощности (тока), при необходимости, регулируют вентилем 23 (широтно-импульсное - ШИМ - регулирование с коэффициентом заполнения ψ), используя информацию от датчиков напряжения 17 и тока 18 о состоянии аккумуляторной батареи 12. Блок управления величиной тока типовой и в настоящем описании не представлен. (Вентиль 22 отключен). Значение сопротивления токоограничивающего резистора 24 выбирается в зависимости от ряда условий (тип аккумуляторной батареи 12, параметры режимов работы дорожно-строительной машины и пр.)
Б) Режим работы с перегрузкой.
Если величина требуемой полезной мощности превышает полную мощность дизель-генератора 5, что выявляется при помощи датчика тока 16 тягового электродвигателя (группы электродвигателей) или иного датчика (или сигнала), несущего аналогичную информацию, генератор 4, аккумуляторную батарею 12 и тяговый электродвигатель 9 при помощи согласующего силового полупроводникового преобразователя 6 подключают иным образом, а именно так, чтобы мощности (напряжения) генератора 4 и аккумуляторной батареи 12 суммировались при их включении в последовательную цепь и суммарная мощность (суммарное напряжение) передавалась к тяговому электродвигателю 9 для совершения полезной работы. На фиг. 2 это соответствует случаю, когда вентиль 22 включен. При этом вентиль 23 отключен. От генератора 4 ток к тяговому электродвигателю 9 проходит через вентиль 22 и аккумуляторную батарею 12. Напряжения генератора 4 и аккумуляторной батареи 12 суммируются. Скорость задается положением педали акселератора. В) Режим работы с отключенным генератором.
Этот режим возможен, когда по каким-либо соображениям дизель должен быть отключен, или дизель отключен вследствие аварии. В этом случае осуществляют режим передачи мощности от аккумуляторной батареи 12 к тяговому электродвигателю 9 по цепи (см. фиг. 1 и фиг. 2): «+» аккумуляторной батареи 12, «+» силового полупроводникового преобразователя 7 (входящего в состав тягового электродвигателя 9), «-» преобразователя 7, вывод 6-4 согласующего силового полупроводникового преобразователя 6, обратный диод вентиля 23, вывод 6-3 преобразователя 6, «-» аккумуляторной батареи 12. Режим работы тягового электродвигателя 9 изменяют управляющим воздействием на преобразователь 7 в зависимости от положения педали акселератора. При этом вентиль 22 отключен.
Г) Режим электрического торможения.
Режим электрического торможения осуществляют следующим образом (см. фиг. 1 и фиг. 2). Воздействием на преобразователь 3 напряжение генератора 4 сводят к минимуму (или к нулю); воздействием на преобразователь 7 переводят тяговый электродвигатель 9 в генераторный режим, Энергию торможения (рекуперации) запасают в аккумуляторной батарее 12, причем величину тока аккумуляторной батареи 12 регулируют вентилем 23 (широтно-импульсное - ШИМ - регулирование с коэффициентом заполнения ψ) в зависимости от положения педали тормоза, используя информацию от датчиков напряжения 17 и тока 18 о состоянии аккумуляторной батареи 12. Блок управления величиной тока типовой и в настоящем описании не представлен. (Вентиль 22 отключен).
7. Работа предложенной электромеханической трансмиссии дорожно-строительной машины и способ управления электромеханической трансмиссией иллюстрируются осциллограммами, полученными на математической модели, выполненной в среде MATLAB SIMULINK (фиг. 5, 6, 7, 8).
-1
-1
Модель построена таким образом. Дизель 1 представлен блоком, отражающим зависимость момента дизеля от его угловой скорости. Мощность дизеля принята равной 100 кВт. Генератор 1 и тяговый электродвигатель 9 в модели представлены однотипными вентильно-индукторными машинами. Выходное напряжение генератора в модели стабилизируется регулятором генератора на уровне Ud gen ≈ 500 В. Напряжение аккумуляторной батареи 12 принято равным 250 В (номинальное значение) при степени заряженности 80%, емкость батареи С=10 А-час. Частота вращения тягового электродвигателя задана на уровне ω ed=200 с и стабилизируется соответствующим регулятором. Начальное значение частоты вращения генератора принято равным ω gen=210 с.
1
Моделируемый рабочий процесс заключается в периодическом изменении момента нагрузки, прикладываемой к тяговому электродвигателю от 400 Нм до 600 Нм и обратно, что при частоте вращения тягового электродвигателя 200 с- соответствует потребляемой мощности приблизительно 80 кВт и 120 кВт. (Р=Т×ω, где Р - мощность, Т - torque - момент, ω - частота вращения). Следует отметить, что при мощности 80 кВт, потребляемой электродвигателем, мощность, потребляемая от генератора (и дизеля) составляет около 100 кВт, поскольку при этом режиме (отсутствии перегрузки и даже недогрузки по мощности) часть мощности генератора приходится на заряд аккумуляторной батареи (см. ниже фиг. 6, 7, 8).
(Режимы работы при питании только от аккумуляторной батареи и режим электрического торможения не моделировались). Модель довольно сложная, процесс моделирования занимает продолжительное время. По этой причине период изменения момента нагрузки принят равным 1 секунде, в том числе 0,6 секунды - 600 Нм, 0,4 секунды - 400 Нм. Моделируемое время - 2,5 секунды. Ток заряда аккумуляторной батареи в модели не регулируется по этой же причине.
На фиг. 5, 6, 7, 8 представлены результаты математического моделирования, а именно осциллограммы зависимости от времени основных параметров при реализации режима периодического изменении момента со стороны нагрузки (на рабочий орган машины).
Фиг. 5 - момент нагрузки и момент тягового электродвигателя - верхняя осциллограмма; частота вращения тягового электродвигателя и генератора - нижняя осциллограмма.
-1
-1
Видно, что момент электродвигателя Т srd (голубая штриховая линия) соответствует (с очень небольшим запаздыванием) моменту нагрузки Т load (красная сплошная линия). При этом частота вращения электродвигателя ω srd=200 с (красная сплошная линия) стабилизируется практически идеально, а отклонения частоты вращения генератора (голубая штриховая линия) от начальной ω gen=210 с невелики, что свидетельствует об относительно стабильном режиме работы дизеля.
Фиг. 6. - мощность, потребляемая нагрузкой, и мощность, развиваемая тяговым электродвигателем - верхняя осциллограмма; мощность, развиваемая дизелем и мощность, развиваемая аккумуляторной батареей - нижняя осциллограмма.
Мощность, потребляемая нагрузкой Р load (красная сплошная линия), и мощность, развиваемая тяговым электродвигателем Р srd mech (голубая штриховая линия) соответствуют друг другу.
Мощность, развиваемая дизелем Р diz (красная сплошная линия), испытывает допустимые отклонения от номинального значения; мощность, развиваемая аккумуляторной батареей Р ab mean (голубая штриховая линия) наряду с положительными значениями (примерно 40 кВт), когда батарея подключается для преодоления скачка нагрузки, имеет и отрицательные значения (около -20 кВт), что отражает факт заряда батареи избыточной мощностью генератора при уменьшенной нагрузке электродвигателя.
Индекс «mean» здесь и далее отражает усреднение параметров.
Фиг. 7. - токи тягового электродвигателя, генератора и аккумуляторной батареи - верхняя осциллограмма; и напряжения тягового электродвигателя, генератора и аккумуляторной батареи - нижняя осциллограмма.
На осциллограмме токов можно отметить, что ток электродвигателя I srd mean ≈ 170 А (красная сплошная линия) практически не изменяется (если отвлечься от его пульсаций), ток генератора Id gen mean ≈ 170 А (голубая штриховая линия) совпадает с током электродвигателя при повышенной нагрузке и возрастает при пониженной нагрузке Id gen mean ≈ 210 А (идет заряд аккумуляторной батареи), ток батареи Iab mean ≈ 170 А (зеленая пунктирная линия) совпадает с током электродвигателя при повышенной нагрузке (разряд батареи) и становится отрицательным Iab mean ≈ - 50 А (заряд батареи) при пониженной нагрузке.
На осциллограмме напряжений видно, что при повышенной нагрузке напряжение Ud srd на электродвигателе (голубая штриховая линия) представляет собой сумму напряжений генератора Ud gen ≈ (зеленая пунктирная линия) и аккумуляторной батареи Uab ≈ 230 В (красная сплошная линия). По осциллограммам приблизительно Ud srd=Ud gen+Uab=500+230=730 В.
При этом напряжение батареи несколько меньше номинального (напряжение «проседает») вследствие действия внутреннего сопротивления батареи. При пониженной нагрузке напряжения генератора и электродвигателя совпадают, напряжение батареи несколько больше номинального (батарея заряжается).
При пониженной нагрузке напряжения на электродвигателе и генераторе равны (около 500 В).
При последовательном подключении генератора и аккумуляторной батареи электрическая мощность Pel, подводимая к электродвигателю составляет приблизительно Pel=Ud srd*I srd mean=730*170=124 кВт.
Если же нет последовательного подключения аккумуляторной батареи, то электрическая мощность Pel, подводимая к электродвигателю составляет приблизительно Pel=Ud srd*I srd mean=500*170=85 кВт.
Таким образом, подключение аккумуляторной батареи позволяет повысить мощность электродвигателя приблизительно в 1,5 раза (повысить развиваемый момент в 1,5 раза при стабилизированной частоте вращения), что и составляет сущность предложенного технического решения.
Фиг. 8. - три осциллограммы (сверху вниз): уровень заряда (SOC - State of Charge), ток (Current) и напряжение (Voltage) аккумуляторной батареи.
При повышенной нагрузке батарея разряжается (SOC уменьшается), ток батареи значительный (около 200 А), напряжение батареи «проседает» приблизительно на 30 В.
При пониженной нагрузке SOC несколько возрастает, вследствие заряда батареи током около 50 А, напряжение соответствует режиму заряда батареи (несколько больше номинального).
Из осциллограммы на фиг. 8 видно, что за 2,5 сек степень заряженности батареи (SOC) уменьшилась приблизительно на 0,6%. Отсюда следует, что за 25 сек батарея разрядится примерно на 6%, что свидетельствует о практической применимости предложенного технического решения.
Еще немного о практической стороне предложенного технического решения.
В модели емкость аккумуляторной батареи принята С=10 А-час (это небольшое значение; емкость аккумуляторов легковых автомобилей составляет С=50…70 А-час).
Полный энергозапас рассматриваемой аккумуляторной батареи приблизительно равен: 250 В * 10 А-ч=2500 Вт-ч
При применении литий-ионных аккумуляторов, удельная энергия которых достигает 130 Вт*ч/кг и более, масса подобной аккумуляторной батареи составит 2500/130=19,2 кг. Если же увеличить емкость аккумуляторной батареи в 6 раз - до С=60 А-час, то ее масса возрастет приблизительно до 120 кг, что в условиях применения на тяжелой машине вполне приемлемо.
При емкости аккумуляторной батареи С=60 А-час, среднем значении разрядного тока батареи Iab mean ≈ 170 А и среднем значении разрядного напряжения батареи -приблизительно 230 В (см. фиг. 7 и фиг. 8):
3
3
- время разряда батареи от 100% до 90% емкости (от 60 А-час до 54 А-час, т.е. разряд на 6 А-час=6*3600=21,6*10 А-сек) составит: 21,6*10 /170 ≈ 127 сек, т.е. более 2 минут; как правило, время работы дорожно-строительных машин со значительной перегрузкой, когда требуется «помощь» аккумуляторной батареи, существенно меньше.
Среднее значение разрядного тока батареи (170 А) сравнительно велико относительно емкости аккумуляторной батареи С=60 А-час и составляет почти 3С. Однако современные литий-ионные аккумуляторы допускают кратковременные токи разряда до 10 С.
Следует подчеркнуть, что заряд/подзаряд аккумуляторной батареи в рассматриваемой схеме подключения будет происходить постоянно, за исключением лишь тех отрезков времени, когда батарея будет подключаться для добавления мощности.
8. Таким образом, при предложенном вышеуказанном исполнении электромеханической трансмиссии дорожно-строительной машины и при предложенном вышеуказанном способе управления электромеханической трансмиссией решаются поставленные задачи:
- сохраняются вышеперечисленные основные достоинства вышеупомянутых технических решений [1, 2, 3, 4] и других, аналогичных им,
- и одновременно обеспечивается высокая производительность дорожно-строительной машины.
9. Исходя из вышеизложенного задача достижения заявленного технического результата, заключающегося в том, что:
- при работе предложенной электромеханической трансмиссии по предложенному способу обеспечивается высокая производительность дорожно-строительной машины, эффективно решена.
Источники информации
1. Kimmo Rauma, Antti Tarkiainen. Mobile Working Machine. Pat. Pub. No.: US 2014/0195085. Pub. Date: Jul. 10, 2014.
2. Ville Naumanen, Antti Tarkiainen, Risto Tiainen, Kimmo Rauma. Working Machine. Pat. Pub. No.: US 2015/0210231. Pub. Date: Jul. 30, 2015.
3. Kimmo Rauma, Tero  An electromechanical power transmission chain for a working machine. EP 3 023 290 A1. Date of publication: 25.05.2016, Bulletin 2016/21.
4. Antti Tarkiainen, Antti Summanen. An electric system for an electromechanical power transmission chain. EP 3 340 456 A1. Date of publication: 27.06.2018, Bulletin 2018/28.