Динамика систем стартерного электропривода дизеля с емкостными накопителями энергии

УДК621.3

А.С. Репин, В.В. Гуляев, О.А. Бурмакин

ДИНАМИКА СИСТЕМ СТАРТЕРНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ДИЗЕЛЯ С ЕМКОСТНЫМИ НАКОПИТЕЛЯМИ ЭНЕРГИИ

Волжская государственная академия водного транспорта

Рассмотрены вопросы динамики систем стартерного электропривода с накопителями энергии молекулярного типа. Исследованы разомкнутые системы пуска с параллельным включением стартерной батареи и накопителя, а также проблемы использования накопителя в качестве самостоятельного источника питания стартерного двигателя. Получены и проанализированы динамические и интегральные энергетические характеристики и показатели таких систем.

Ключевые слова: стартерный электропривод, электростартерный пуск, молекулярный накопитель.

Системы пуска ДВС транспортных средств, дизель-генераторных установок (ДГУ) автономных источников электроснабжения и станций базируются на основе стартерных двигателей (СД) постоянного тока, как правило, последовательного возбуждения. До сих пор подавляющее число электростартерных систем реализует запуск двигателей методом прямого включения, а сама система стартерного электропривода с точки зрения регулирования имеет разомкнутую структуру.

Долгое время считалось, что использование принципа регулирования по отклонению в стартерном электроприводе нецелесообразно, поскольку главной задачей системы пуска является выведение двигателя за регламентированное время в режим, когда его угловая скорость вращения становится выше пусковой и индикаторная работа превышает работу, затрачиваемую на преодоление момента сопротивления движению. В этом случае имеют место постоянные устойчивые вспышки топлива в цилиндрах дизеля и создаются благоприятные условия для его успешного запуска в работу. Часто вывод дизеля в установившийся режим сопровождается переходом в режим холостого хода с последующим набросом нагрузки (система пуска ДГУ).

Такой традиционный подход, сложившийся в проектировании электростартерных систем, в частности, приводит к тому, что электрическая емкость стартерных батарей зачастую завышается и избыточна, увеличиваются стоимость и массогабаритные показатели системы. В процессе эксплуатации запуск двигателей сопровождается огромными пиковыми токами в начальный момент пуска, глубокими провалами напряжения на зажимах стартерной батареи, быстрым отбором требуемой электрической емкости, опережающим нормальную скорость протекания химических реакций в источнике. Это приводит к тому, что заявленный производителем срок службы аккумуляторных батарей сокращается на 30-50%, особенно, если система эксплуатируется в жестких климатических условиях.

В то же время ужесточение требований к современным системам пуска в части снижения энергопотребления, повышения надежности пуска и их отдельных элементов заставляет пересматривать сложившиеся подходы к их разработке и искать новые пути их совершенствования. Широкое распространение получает софт-стартерный пуск [2], замкнутые системы с контролем тока разряда стартерной батареи, системы пуска с изменяемой структурой источника питания и др.

Одним из перспективных направлений этой работы является привлечение в стартер-ный электропривод электрических накопителей - импульсных конденсаторов сверхвысокой энергоемкости (ИКСЭ)[1]. ИКСЭ по принципу действия представляет собой накопитель мо-

© Репин А.С., Гуляев В.В., Бурмакин О.А., 2014

лекулярного типа и способен аккумулировать энергию большого объема. Отечественной и зарубежной промышленностью освоен выпуск накопителей для систем стартерного электропривода емкостью до 300 Ф при рабочем напряжении в десятки вольт. Энергоемкость таких накопителей оказывается достаточной для осуществления пуска дизелей даже средней и большой мощности, без использования в процессе запуска аккумуляторных батарей.

В связи с изложенным представляет интерес исследование динамики таких систем как при работе накопителя совместно с аккумуляторной батареей, так и в качестве индивидуального источника питания СД, с предварительным зарядом его от аккумуляторной батареи перед пуском. В последнем случае важно знать количество возможных попыток пуска от накопителя в зависимости от его электрической емкости и от мощности силового агрегата.

Следует отметить, что системы с накопителями молекулярного типа предложены уже достаточно давно и известны отдельные и вполне успешные попытки их практического внедрения. Однако строгого систематического исследования динамики таких систем с получением интегральных показателей практически не предпринималось.

С 2002 по 2012 годы авторами выполнена разработка теоретической базы для моделирования таких систем и осуществлены работы практического характера по сбору, анализу и систематизации отдельных показателей опытно-экспериментальных систем стартерных электроприводов с накопителями для запуска дизелей КбБЭЮВК, мощностью 885 кВт.

Математически процесс пуска может быть описан системой дифференциальных уравнений, которая претерпевает изменения при переходе системы от одного этапа пуска к другому. Процесс запуска представляется трехэтапным: 1-й этап - дизель является нагрузкой СД, 2-й этап - совместная работа СД и дизеля, ввиду появления устойчивых вспышек топлива в цилиндрах, 3-й этап - самостоятельная работа дизеля с выходом в установившийся режим. На всех этапах дизель рассматривается как объект регулирования угловой скорости (оборотов).

и^тз — и /^п * г

иВ р.ц. &В пот.

Т </а

иСв — ис — ем + га  гэ + Ьэ-а

ш

1а — 1С + /СВ

ir = -C —-C dt

J d^^L

эпр. dt

0, при ^ Мм Эм . < Мс . пр. NММ . Эм . = Мс . пр .,диз. = 0

ММ. эм . - Мс . пр. NПри ^ 0 < диз. <  пуск., ММ. эм . ^ Мс . р. N. Мдиз.эф.пр. + ММ.эм. -Мс. прМ., пРи ^ пуск. — диз. < уст,

ММ.эм. ^ Мс. пр.N. eM = СфММ = Cka  (lC + lGB ) M

ФМ = kala = ka '

<

Этой системе соответствуют структурные схемы, представленные на рис. 1, которые отражают работу системы от 0 до пусковой частоты вращения коленчатого вала дизеля и от пусковой частоты вращения до значения, соответствующего 115-120% пусковой частоты, то есть на 1-м и 2-м этапах пуска. На 3-м этапе пуска вступает в работу объединенный регулятор дизеля, и структура приобретает известный замкнутый вид с ПИ-регулятором.

Рис. 1. Структурные схемы системы электростартерного пуска дизеля с емкостным накопителем энергии

Работа системы предполагает предпусковой заряд накопителя от аккумуляторной батареи с последующим включением их на параллельную работу. Причем цепи разряда стартерной батареи и накопителя в процессе пуска разделены между собой диодами. Это сделано для исключения обмена энергией между батареей и накопителем в процессе пуска и устранения уравнительного тока между ними. При такой схеме включения накопитель берет на себя кратковременную пиковую нагрузку в начале пуска, что создает хорошие условия для «отрыва» вала от мертвой точки покоя. Стартерная батарея в этот момент работает в облегченном режиме, способствуя дальнейшей раскрутке коленчатого вала дизеля до пусковой частоты вращения. Разгрузка стартерной батареи с переводом значительной части пиковой мощности на накопитель существенно улучшает процесс отбора мощности, что положительно сказывается на увеличении срока ее службы.

Ресурсные испытания стартерных батарей показывают, что снижение пикового тока разряда в два раза позволяет повысить срок службы аккумуляторов в 1,6-1,8 раза. Однако параллельное включение батареи и накопителя придает системе в целом и существенный недостаток: общий ток разряда в нагрузку (ток СД) становится больше, по сравнению с аналогичным показателем в режиме прямого включения при питании СД только от аккумулятора.

Это приводит к увеличению динамических нагрузок на отдельные элементы системы, ухудшает условия коммутации тока в СД, сокращая сроки его межремонтных пробегов. Поэтому привлечение в структуру стартерного электропривода накопителей целесообразно осуществлять совместно с преобразователями, реализующими принцип импульсного отбора мощности от комбинированного источника питания СД при пуске.

Динамические характеристики разомкнутой системы с комбинированным источником питания СД на примере пуска дизеля мощностью 885 кВт с накопителями емкостью 4 Ф и 23 Ф приведены на рис. 2.

гав, А У

——-1 1 -—-1— t,c

1500 р 1000 -

(Ни=£йзш., рад/с

ic, А

"

t,c

Ппп Кг- И ' 1

i к^с^^

/

1 i 1 i 1 t,c

Рис. 2. Динамические характеристики системы пуска с накопителями различной емкости:

1 - ток разряда автономного источника (стартерной батареи); 2 - ток заряда/разряда накопителя; 3 - напряжение на внешних зажимах стартерной батареи; 4 - напряжение на внешних зажимах накопителя; 5 - угловая скорость вала СД, равная скорости коленчатого вала дизеля;

а - СЕНэ = 4 Ф, /Жтах = 1393 А; AuOB = 37,4 В; б - СЕНэ = 23 Ф, iGB. тах = 988,6 А; AuOB = 31,12 В;

Из рассмотрения характеристик видно, что с увеличением электрической емкости накопителя пиковое значение тока разряда снижается, в то время как ток разряда накопителя - увеличивается. Очевидно, что при разработке таких систем должен обеспечиваться разум-

ный баланс между качественными показателями переходного режима пуска с одной стороны и массогабаритными, стоимостными показателями, с другой.

Использование накопителей с энергетической точки зрения иллюстрируют обобщенные интегральные характеристики, представленные в виде столбцовых диаграмм на рис. 3.

б)

г)

Рис. 3. Удельные и интегральные характеристики систем пуска с накопителями, необходимые для оценки эффективности их использования в буферном режиме совместно с СБ

С увеличением емкости накопителя, повышается степень разгрузки стартерной батареи, улучшается режим ее работы и одновременно снижается значение мощности, необходимой для успешного запуска двигателя. В то же время снятие пиковой нагрузки в начальный момент времени приводит к некоторому затягиванию процесса пуска и, как следствие, к увеличению разрядной емкости, отдаваемой источником в нагрузку. Поэтому использование накопителя положительно сказывается на характере отбора мощности от стартерной батареи, а значит, и на ее сроке службы.

Моделирование системы пуска с накопителем в качестве индивидуального источника питания СД может быть выполнено с использованием тех же структурных схем рис. 1. Для этого достаточно исключить канал формирования выходной координаты стартерной батареи - тока ее разряда ¡св.

Динамические характеристики такой системы с накопителем емкостью 50 Ф представлены на рис. 4. Здесь имеет место серия неудачных попыток пуска дизеля.

Из рассмотрения этих кривых видно, что отпопытке к попытке накопитель теряет свой заряд, а пиковое значение тока разряда снижается. Варьируя номинальным напряжением источника заряда и энергоемкостью накопителя можно аккумулировать такое количество энергии, которое обеспечит требуемое число пусков дизеля. Однако на практике число возможных пусков двигателя конечно и невелико. Это обусловлено тем, что, во-первых, современные ИКСЭ имеют максимальное рабочее напряжение не более 200 В и, во-вторых, их высокая электрическая емкость сочетается с довольно высокими массогабаритными показателями.

Ugb, Uc, В со, рад/с 4

V

\ t,C

6 Г\х

Рис. 4. Динамические характеристики переходного режима пуска дизеля в системе накопитель - СД последовательного возбуждения при наличии серии неудавшихся попыток запуска:

а - 1, 2, 3 - ia = ic = f

Эффективность использования различных накопителей в системе может быть оценена по интегральным столбцовым диаграммам рис. 5.

Анализируя полученные результаты, представляется, что привлечение в структуру стартерного электропривода дизеля накопителей и импульсных преобразователей придаст системам пуска ряд ценных качеств в части надежности, существенного улучшения динами-

ческих характеристик и показателей, расширит температурный диапазон эффективного использования на практике.

120 В 140 В 170 В 200 В

Энергоемкость накопителя

ВО Ф  58,5 Ф  67 Ф  75,5 Ф  84 Ф |

Рис. 5. Зависимость числа возможных пусков дизеля в системе накопитель -СД последовательного возбуждения от количества энергии, запасенной в ИКСЭ

Библиографический список

1. Репин, А.С. Система стартерного электропривода с дискретно-импульсным регулятором напряжения и ячейковыми накопителями энергии / А.С. Репин, В.В. Гуляев, О.А. Бурмакин // Труды 14-го международного научно-промышленного форума «Великие реки - 2012». Проблемы использования и инновационного развития внутренних водных путей в бассейнах великих рек. Т.2. С. 284-286.

2. Репин, А.С. Система электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с адаптивным ШИМ-регулятором / А.С. Репин, О.А. Бурмакин, В.В. Гуляев // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. Вып. № 33. С. 196-200.

Дата поступления в редакцию: 01.07.2014

A.S. Repin, V.V. Gulyaev, O.A. Burmakin

DYNAMIC MODES OF DIESEL'S ELECTRICAL STARTING SYSTEMS WITH CAPACITOR STORES OF ENERGY

Volga State Academy of Water transport

Questions of system's dynamics of the start-up electric drive with stores of energy of molecular type are considered. The opened systems of start-up with parallel turning on of the start-up battery and the store, and also a problem of use of the store as the independent power supply of the start-up engine are investigated. Dynamic and integrated power characteristics and indicators of such systems are received and analyzed.

Key words: start-up electric drive, electrical start-up, molecular store.