М І Сергієнко - Вибір характеристики керування гібридною енергетичною установкою перспективного маневрового тепловоза - страница 1

Страницы:
1  2 

shown, that using of optopneumatic components increases the reliability of this systems.

Key of words: reliability no failure operation, ancillary system, optopneumatic device

Коваленко А. А. - проф. Кафедры «Гидрогазодинамика», ВНУ им. В. Даля. Лыштван Е. Ю. - ассистент кафедры «Прикладная физика», ВНУ им. В. Даля Баранич Ю. В. - к.т.н. ст. пр. кафедры «Железнодорожного транспорта», ВНУ им. В. Даля.

Дулгиер С. С. - студентка кафедры «Гидрогазодинамика», ВНУ им. В. Даля Рецензент: д.т.н., профессор Соколов В. И.

УДК 629.424

Сергієнко М.І., Гончарів О.М., Пелепейченко В.І., Гордієнко Д.О.

м. Київ, м. Харків

ВИБІР ХАРАКТЕРИСТИКИ КЕРУВАННЯ ГІБРИДНОЮ ЕНЕРГЕТИЧНОЮ УСТАНОВКОЮ ПЕРСПЕКТИВНОГО МАНЕВРОВОГО ТЕПЛОВОЗА

Розглянуто вплив трьохступінчастої та чотирьохступінчастої характеристик керу­вання на параметри основних агрегатів гібридної енергетичної установки манев­рового тепловоза. Встановлено, що чотириступінчаста характеристика, на відміну від триступінчастої, забезпечує більш стабільну роботу дизелів. Вона також є придатною для керування установкою з одним дизелем малої потужності та нако-пичувачем електроенергії підвищеної ємності.

Ключові слова: маневровий тепловоз, енергетична установка, накопичувач електроенергії, експлуатаційний цикл, режими роботи дизеля, керування

Постановка проблеми. Наразі доведено [1, 2, 3], що застосування на маневро­вих тепловозах (МТ) гібридних енергетичних установок (ЕУ) з накопичувачами енергії дозволяє зменшити експлуатаційну витрату палива, застосувати дизель-генератори (ДГ) меншої потужності, зменшити димність та токсичність відпрацьованих газів. На-копичувач електроенергії на МТ дає можливість звести до мінімуму тривалість роботи дизелів на неекономічних режимах малих навантажень, а також зменшити кількість перехідних процесів дизеля при зміні позицій контролера машиніста (п.к.м.) протягом експлуатаційного циклу.

Під експлуатаційним циклом будемо розуміти сукупність режимів, яку характеризує залежність характерного параметра дизеля, наприклад ефективної потужності Ne, від часу t, визначена в межах фіксованого часового інтервалу для тепловозів одного типу, які виконують певний вид роботи. Цю залежність зазвичай представляють у графічній та/або табличній формах. Експлуатаційні цикли конкретних тепловозі, що працюють в різних умовах, відрізняються, тому при аналізі умов роботи МТ одного типу та призначення зазвичай користуються узагальненими циклами, от­риманими шляхом осереднення даних, отриманих у ході дослідження кількох МТ.

Енергетичні установки МТ ЧМЭ3, що експлуатуються тривалий час на залізницях України, фізично і морально застаріли і потребують заміни.

Перспективний МТ може бути створений на базі МТ ЧМЭ3 шляхом заміни існуючої ЕУ на гібридну ЕУ, яка містить один або два дизелі, тягові генератори змінного струму, перетворювачі струму (випрямляч та інвертори), тягові електродви­гуни змінного струму, електродвигуни приводу допоміжних агрегатів, накопичувач електроенергії (батареї іоністорів або акумуляторів), а також систему керування.

Допоміжні агрегати такого МТ мають приводяться до дії не від колінчастого валу дизеля, як це є на МТ ЧМЭ3 [5], а від власних електродвигунів змінного струму, які отримують енергію з загальної шини постійного струму крізь інвертори допоміжних агрегатів. Така схема обрана тому, що приведення до дії допоміжних агрегатів безпосередньо від колінчастого валу не дозволить стабілізувати у часі роботу дизеля, оскільки вони періодично вмикаються і вимикаються. Можливість стабілізації у часі режиму роботи дизеля є одним із чинників, що обумовлюють переваги гібридних ЕУ.

Для спрощення подальшого аналізу приймемо, що втрати енергії у приводі допоміжних агрегатів МТ ЧМЭ3, які періодично вмикаються та вимикаються за допо­могою гідромуфт [6], і втрати енергії у разі застосування електричного приводу цих агрегатів, однакові.

При аналізі робочих процесів гібридних ЕУ з накопичувачами електроенергії використовують  значення  середніх у  часі  потужностей,  притаманних певному

експлуатаційному циклу [1, 3]: механічної на колінчастому валу дизеля Ne , еле­ктричної на клемах тягового генератора Wg , електричної на виході з випрямляча \Ув. Однозначний зв'язок між цими потужностями встановлює формула:

= Wg в = Ne -rig в, (і)

де г|в - ККД випрямляча (прийнято г|в - 0, 97), ng - ККД тягового генератора змінного струму (прийнято г|г = 0,94).

У існуючій ЕУ МТ ЧМЭ3 енергія, яку виробляє дизель, практично повністю та одночасно витрачається на приведення до дії основних і допоміжних споживачів. Вик­люченням є лише незначна частка енергії, яка іде на заряджання акумуляторних бата­рей системи пуску дизеля.

У гібридній ЕУ вся вироблена генератором енергія розподіляється на два по­токи: один іде безпосередньо споживачам, інший поповнює запас енергії у накопичувачі, з якого вона потім також подається споживачам. Система керування ро­ботою ЕУ розподіляє ці потоки за напрямком та потужністю.

Теоретично дизель МТ з гібридною ЕУ може працювати на режимі, коли його

ефективна потужність дорівнює Ne і залишається весь час незмінною.

У випадку, коли миттєве значення сумарної потужності WE (t) на вході до

інверторів тягових двигунів та допоміжних агрегатів, менше за WIi, надлишкова

енергія з шини прямує до накопичувача. Якщо споживачам потрібна потужність,

більша за      , то різниця компенсується за рахунок енергії, яку постачає до шини на-

копичувач. У випадку, коли накопичувач буде повністю спорожнілий, усі споживачі отримують енергію лише від тягового генератора.

Можливість використання електроенергії, яку можуть виробляти тягові двигу­ни, якщо їх при гальмуванні перевести у режим генератора, у даній статті не розглядається, оскільки швидкість МТ при тривалій роботі мала і не перевищує 11,4 км/год [6].

Визначити точне значення Ne для конкретного МТ можна тільки після того, як експлуатаційний цикл відбувся і його параметри були зареєстровані. Методики та­кого аналізу наведені у [1, 3]. Там також показано, що для МТ ЧМЭ3, залежно від умов

експлуатації, значення   Ne   на порядок менше номінальної потужності дизеля

K6S310DR (№н = 1000 кВт, Ne ~ 80...100 кВт.).

Важливим для подальшого аналізу є твердження, що принципово неможливо

апріорі визначити точне значення Ne для конкретного МТ. Це обумовлено тим, щонавіть в умовах виконання одного виду роботи в одному місці протягом доби, експлуатаційні цикли, взяті на різних часових інтервалах (1 год., 6 год., 12 год., 24 год.), не будуть ідентичними. Обов'язково також будуть відмінності між екс­плуатаційними циклами МТ, що працюють у різних місцях, а також між циклами, ви­значеними для різних сезонів року. Ці відмінності обумовлять різницю значень Ne їх дизелів. Узагальнення експлуатаційних циклів, зафіксованих на МТ одного типу, що виконували роботу одного виду, дозволяє визначити лише орієнтовне, прогнозне зна­чення Ne .

Внаслідок того, що прогнозне значення Ne є неточним, встановлення для системи керування конкретною ЕУ незмінних у часі потужності дизеля і, відповідно (1), генератора, рано чи пізно призведе або до переповнення накопичувача, або до його повного спорожнення. Тому ЕУ з накопичувачем електроенергії повинна мати систему керування потужністю і напрямками потоків енергії. Система має забезпечити енерго­постачання всім споживачам на всіх п.к.м., а також виключити можливість перепов­нення або спорожнення накопичувача електроенергії.

Питання про вплив характеристик, за якими працює система керування ЕУ з накопичувачем електроенергії, на показники процесів, що відбувається у основних агрегатах ЕУ, є важливим для практики, оскільки на початку проектування системи необхідно обґрунтовувати вибір характеристики, за якою вона буде працювати, а на початку експлуатації задати конкретні параметри обраної характеристики. Наразі це питання у літературі висвітлене недостатньо.

Мета роботи - обґрунтувати вибір характеристики керування роботою енергетичної установки перспективного маневрового тепловозу, до складу якої вхо­дять, зокрема, два дизель-генератори різної потужності або один дизель генератор малої потужності та накопичувач електроенергії.

Викладення основного матеріалу

У статті запропоновані і розглянуті дві характеристики керування гібридною ЕУ, які, на думку авторів, є найпростішими для реалізації як на універсальних, так на спеціалізованих МТ, тобто таких, що будуть виконувати роботу лише одного виду.

Доцільність прийняття тієї чи іншої концепції створення перспективного МТ у даній статті не розглядається.

Якщо прийняти концепцію створення універсального МТ, то треба, щоб ЕУ такого перспективного МТ була спроможна забезпечувати протягом тривалого часу таку саму потужність, що і дизель K6S310DR, а саме 1000 кВт.

Зменшити експлуатаційну витрату палива та покращити екологічні показники універсального МТ можна шляхом встановлення двох ДГ різної потужності і накопи-чувача електроенергії відносно невеликої ємності.

У гібридній ЕУ універсального МТ вся потужність, яка знімається з колінчастих валів обох дизелів, має витрачатися на приведення до дії лише тягових генераторів. Дизель, що приводить до дії тяговий генератор меншої потужності (пер­ший), має працювати безперервно, з мінімальною кількістю змін режимів і з мінімальною питомою ефективною витратою палива ge. Тяговий генератор більшої потужності (другий) має подавати енергію до випрямляча а далі до загальної шини лише за потреби.

Питання про те, у якому стані - зупиненим або таким, що працює на холосто­му ході - має перебувати дизель більшої потужності у разі, коли відсутня потреба у енергії від його генератора, виходить за межі даної статті і потребує додаткового роз­гляду.

Можливі режимами роботи дизеля зручно показувати на його багатопараметровій характеристиці, типовий вигляд якої наведений на рис. 1.

Мінімальна ge досягається на режимах поблизу точки r. На лінії a-b-c-d-e розташовані точки, що репрезентують режими тепловозної характеристики, на лінії p-

q-r-s - режими навантажувальної характеристики.

Практично для всіх дизелів потужність на режимах, де g складає (0,5...0,7) від номінальної потужності. Тоді для реалізації e сягає мінімуму, з мінімальною ge

значення Ne = 100 кВт, номінальна потужність першого дизеля має бути 150...200 кВт. Якщо вимагати від універсального МТ збереження можливості тривалої роботи з повним навантаженням, тоді потужність другого дизеля має бути на рівні 850 ... 800 кВт.

Розглянемо дві найпростіші характеристики керування роботою ЕУ з накопи

чувачем

Є

Ne

електроенергії - ре­лейну трипозиційну та релейну чотирипозиційну. Надалі, щоб не плу­тати позиції на характеристиці керу­вання ЕУ з позиціями контролера машиніста, характе­ристики керування будемо називати триступінчастою та чотириступінчастою.

Далі виходи­мо з умови, що неза­лежно від прийнятої характеристики керу­вання кількість п. к.м. та потужність всіх споживачів на цих п. к. м. залишаються

такими самими, як у базового МТ.

Системи керування ЕУ, що реалізують ці обидві характеристики, мають у ре­альному часі отримувати інформацію про поточне значення таких потужностей: на виході з випрямляча Wjj(t); сумарної на вході до інверторів тягових двигунів та інверторів двигунів допоміжних агрегатів Ws(t). Крім того, система має контролювати поточний рівень енергії у накопичувачі E(t) і поточну позицію контролера машиніста.

Керування за обома характеристиками передбачає також встановлення гра­нично допустимих рівнів енергії у накопичувачі: максимального Emax і мінімального

Для реалізації триступінчастої характеристики керування дизель меншої потужності треба підібрати так, щоб прогнозне значення Ne було поблизу точки r

(рис. 1), тобто виконувалась умова Ner = Ne .

Керування ЕУ полягає у тому, що потужність дизеля і пов'язана з нею потужність тягового генератора Wg(t) змінюється залежно від E(t) дискретно і набуває на ступенях, позначених номерами І.. .ІІІ, таких значень:

І. W (t) = 0, якщо E(t) > Emax, (2)

Рис. 1. Багатопараметрова характеристика дизеля

ІІ. Wg (t) = Ner tjg, якщо {[Emm < E (t) < Emax ] ^ [(E (t) < Emin ) n (Ne, < Ne)]},

Wg (t) = Net Vg, якщо {[E(t) < Emm ] n (Net > Ne)}, де Nei - потужність дизеля або двох дизелів, що відповідає поточній п. к.м.

Вісник СНУ ім. В. Даля - № 4 (158) - Частина 1 - 2011

(3) (4)

Пропорційно потужності тягового генератора змінюється і потужність дизеля.

Таким чином, на ступені І режим роботи дизеля характеризує точка p (рис. 1), на степені ІІ - точка r, на ступені ІІІ відбувається перехід на ту частину тепловозної характеристики, де потужність на відповідних п.к.м. перевищує потужність у точці r.

У випадку, коли енергія у накопичувачі вичерпана, а потужність першого ди­зеля менша за потужність, яка має бути на поточній п. к.м., приймати навантаження почне другий, більш потужний ДГ. Він має працювати один, якщо для забезпечення потреб споживачів у енергії вистачає його потужності, або удвох з першим ДГ.

Робота на І і ІІІ ступенях характеристики є небажаною, оскільки дизель при цьому працює зі збільшеною ge (див. рис. 2), а при зміні ступені виникають перехідні процеси, які також негативно вливають на ge.

У разі реалізації чотириступінчастої характеристики керування роботою ЕУ перший ДГ треба підбирати так само, як у попередньому випадку. Системі керу­вання крім граничних рівнів енергії у накопичувачі Emax і Emin треба задати середній рівень накопиченої енергії Emidi.

Потужність тягового генератора Wg(t) на ступенях І...ІУ буде встановлювати­ся залежно від рівня енергії у накопичувачі і потужності, яка має бути реалізована

споживачами на певних п.к.м.

І.    Wg(t) = 0, якщоE(t) > Emax, (5)

ІІ.   Wg (t) = Neq -Vg, якщо [Emidl < E(t) < Emax ], (6)

III. Wg(t) = Nes-Vg, якщо^ < E(t) < Emidl]u[(E(t) <Emn)п(Щ < Nes)]}, (7)

ІУ.   Wg(t) = Net -Vg, якщо{[E(t) <]n(Net > Nes)}, (8)

Перший ДГ має працювати переважно на двох режимах, яким відповідають точки q та s, які знаходяться на навантажувальній характеристиці p-q-r-s (рис. 1). Треба підкреслити, що ge на цих режимах однакова і мінімальна для даного двигуна. Робота EУ на І та ІУ ступенях є небажаною.

Негативний вплив перехідних процесів дизеля, які виникатимуть при швидкій зміні потужності від Neq до Nes при n = const, може бути зведений до мінімуму шляхом застосування сучасного регулятора, який виключить можливість виникнення у такому процесі короткострокового збільшення циклової подачі палива до максимального зна­чення.

При моделюванні процесів керування роботою EУ поточне значення енергії у накопичувачі визначається за загальною формулою:

t

E(t + At) = E0 + ^Z(t)-At, (9)

0

де E0 - енергія у накопичувачі на початку розрахунку параметрів у експлуатаційному циклі, Z(t) - потужність, якою накопичувач електроенергії обмінюється з шиною постійного струму, At - тривалість елементарного процесу (крок розрахунку).

При триступінчастому керуванні роботою EУ значення Z(t) визначається за

формулами:

Z(t) = Лн • [Ner -Vg - WE (t)] якщо {[Ner -Vg > WE (t)]n[E(t) < Emax]}, (10)

Z(t) = [Ner -Vg - WE (t)] якщо {[Ner -Vg < WE (t)]n[E(t) >      ]}, (11)

Z(t) = 0 якщо {[E(t) > Emax ] ^ [(E(t) <      ) п (WE (t) > Ner r,g )]}, (12)

де г|н - ККД накопичувача з урахуванням втрат у апаратурі, що керує потоками енергії при його заряджанні та розряджанні. Прийнято для спрощення, що втрати енергії у накопичувачі відбуваються при його заряджанні.

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

М І Сергієнко - Вибір характеристики керування гібридною енергетичною установкою перспективного маневрового тепловоза