Разработка электротехнологии и преобразователя электроэнергии для регенеративного заряда аккумуляторов мобильной сельскохозяйственной техники

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Российский государственный аграрный заочный университет»

(ФГОУ ВПО РГАЗУ)

На правах рукописи

Тюхтин Константин Иванович

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ РЕГЕНЕРАТИВНОГО ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРОВ МОБИЛЬНОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ Специальность:

05.20.02. – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва –

Работа выполнена на кафедре “Информационные и электротехнические системы и технологии” Российского государственного аграрного заочного уни верситета (РГАЗУ).

Научный руководитель: Заслуженный работник Высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Шичков Л.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, ст. науч. сотрудник Копылов С.И., кандидат технических наук, ст. науч. сотрудник Коршунов Б.П.

Ведущая организация: Московский государственный агроинженерный университет им. В.П.Горячкина

Защита состоится “_”_ 2011 г. в _ часов на заседании специализированного совета Д 220.056.03 Российского государственного аг рарного заочного университета по адресу: 143900, Московская область, г. Ба лашиха-8, ул. Ю. Фучика, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГАЗУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печа тью, направлять по адресу: 143900, Московская область, г. Балашиха-8, ул. Ю.

Фучика, д. 1, ученый совет.

Автореферат разослан “_” 2011 г.

Ученый секретарь, диссертационного совета кандидат технических наук _ О.П. Мохова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Электрохимические аккумуляторы нашли ши рокое применение практически во всех бортовых системах мобильной сельско хозяйственной техники в качестве автономных источников электрической энер гии. Основными достоинствами химических аккумуляторов (АК) помимо спо собности многократного повторного заряда после разряда, являются достаточно высокие удельные энергетические показатели при возможности агрегатиро ваться в аккумуляторные батареи (АКБ) для получения требуемых значений токов и напряжений при работе на нагрузку. Мобильные транспортные средст ва с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), которые широко используются в сельскохозяйственном производстве, имеют в составе используемого бортового электрооборудования соответствующие АКБ для обеспечения стартерного пус ка ДВС и резервного энергообеспечения при неработающем двигателе. Вс ши ре АКБ используют в качестве основной энергосиловой установки электрокар и электромобилей, электропогрузчиков и др., которые находят вс более широкое применение не только в качестве внутрицехового или складского транспорта, но и в целом как наиболее экологически чистый и удобный в использовании транспорт. Процессы, происходящие в химических аккумуляторах, взаимно об ратимы. Так активные вещества электродов после цикла "ЗАРЯД – РАЗРЯД" должны иметь в идеале тот же состав и тоже количество, что и до начала цикла.

В процессе же хранения и при эксплуатации первоначальные свойства АКБ по нижаются и для восстановления свойств и продления срока службы батарея должна подвергаться регенеративному заряду. Для этого в стационарных усло виях необходимо проводить определнные режимы заряда и разряда АКБ, не выполнение или несоблюдение которых ведт к преждевременному выходу ак кумуляторов из строя, а, с учтом широчайшего их использования, в целом – к значительным ущербам. Например, удельная стоимость одного ватт-часа стар терного свинцово-кислотного (СК) аккумулятора мобильных машин с ДВС в зависимости от исполнения составляет на настоящий период (3…5) руб./(Втч).

Для тяговых СК аккумуляторов этот показатель соответственно составляет (2…4) руб./(Втч). Для других типов химических аккумуляторов эти стоимост ные показатели ещ выше. Поэтому продление срока эксплуатации аккумуля торов мобильных средств сельскохозяйственной техники путм эффективного регенеративного заряда, является актуальной задачей не только по экономиче ским соображениям, а и по повышению экологической безопасности окружаю щей среды.

Объект исследования. Электротехнология с использованием автомати зированного преобразователя электроэнергии для осуществления регенератив ного заряда аккумуляторов мобильной сельскохозяйственной техники.

Методы исследования. Теоретическо-экспериментальные.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является разработ ка электротехнологии и обоснование параметров и схемотехники преобразова теля электроэнергии для осуществления автоматизированного регенеративного заряда аккумуляторов мобильной сельскохозяйственной техники.

В связи с этим решались следующие основные задачи:

1. Выполнить анализ технологий заряда и заряда-разряда аккумуляторов в службах сельского хозяйства.

2. Разработать математическую модель и обосновать параметры схемы заме щения аккумулятора как нагрузки с противо-ЭДС.

3. На основании математической модели и схемы замещения аккумулятора обосновать электротехнологию и требования к средству регенеративного заряда АКБ.

4. Разработать схемотехническое решение и дать методику расчта параметров элементов энергетических цепей зарядно-разрядного преобразователя.

5. Предложить алгоритм программного управления зарядно-разрядным преоб разователем и осуществить его автоматизацию с выбором соответствующих аппаратных и программных средств.

6. Провести цикл экспериментальных исследований для апробации эффектив ных технологических режимов.

7. Дать технико-экономическую оценку эффективности разработанной элек тротехнологии регенеративного заряда аккумуляторов с учетом апробации разработки в производственных условиях.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Классификация электротехнологий и средств заряда АКБ мобильной сель скохозяйственной техники.

2. Математическая модель аккумулятора при импульсном регенеративном за ряде.

3. Электротехнология и требования к средству регенеративного заряда АКБ.

4. Схемотехническое выполнение зарядно-разрядного преобразователя (ЗРП) для регенеративного заряда АКБ импульсным питанием.

5. Методика расчта параметров элементов энергетических цепей ЗРП.

6. Алгоритм и программное обеспечение автоматизированного управления ЗРП для регенеративного заряда АКБ.

7. Результаты экспериментальной и производственной апробации электротех нологии регенеративного заряда АКБ от ЗРП и оценка экономической эф фективности разработки.

Научная новизна работы заключается в следующем:

классифицированы возможные электротехнологии регенеративного заряда АКБ мобильной сельскохозяйственной техники;

разработана математическая модель процессов заряда и разряда мкости двойного электрического слоя (ДЭС);

обоснованы схема замещения и параметры аккумуляторной нагрузки при регенеративном заряде АКБ импульсным током;

обоснован выбор эффективных частот и скважностей импульсов регенера тивного заряда АКБ в зависимости от е исходного состояния;

разработаны автоматизированный зарядно-разрядный преобразователь и электротехнология регенеративного заряда АКБ импульсным током, защи щнные патентами на изобретения.

Практическая ценность работы. Спроектирован, создан и проверен на практике автоматизированный ЗРП и с его использованием реализована эффек тивная электротехнология регенеративного заряда АКБ импульсным током, подтвержднные патентами №46368 РФ, №59337 РФ и № 2309509 РФ.

Реализация результатов исследования. В период с 2005 – 2011 гг. по мере выполнения работы е результаты докладывались и получили одобрение на различных научных и научно-практических конференциях, совещаниях и семинарах различных организаций. На основе полученных результатов реали зована электротехнология регенеративного заряда АКБ импульсным током, внедрнная на ряде предприятий, что подтверждается актами внедрения.

Достоверность полученных результатов подтверждена данными экспе риментальных лабораторных и производственных испытаний, опытной экс плуатацией ЗРП и практической реализацией разработанной электротехнологии регенеративного заряда АКБ, а также сопоставлением расчтных и опытных данных.

Апробация работы. Основные результаты исследования рассматрива лись и получили одобрение на ежегодных научных и научно-практических конференциях, совещаниях и семинарах различных организаций, в том числе РГАЗУ (г. Балашиха, 2008-2011гг), ВИЭСХ (г. Москва, 2008 г), МКТ-Групп (г.

Москва, 2005-2010 гг).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе в 3-х описаниях к патентам и в 3-х научных статьях в журналах, входящих в пе речень ВАК РФ.

Структура и объм диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 119 наименований и приложения. Ос новной материал диссертации изложен на 131 страницах машинописного тек ста, вспомогательный в виде приложения – на 74 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ содержит обоснование актуальности темы диссертации. От мечено, что значительный вклад в исследования по разработке средств и элек тротехнологий эффективного заряда аккумуляторов внесли учные: Бородин И.Ф., Бухаров А.И., Емельянов И.А., Здрок А.Г., Зорохович А.Е., Людин В.Б., Северный А.Э., Фурсов А.П., Шичков Л.П. и другие.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ проведн анализ структуры парка АКБ мобильной сельскохозяйственной техники и дана классификация электротехнологических способов их заряда и электрической регенерации. Проанализированы и сопос тавлены способы и технические средства заряда и электрической регенерации аккумуляторов. Формулируются цель исследования и решаемые задачи.

+На рис.1 представлено применяемость и сравнительная характеристика различных типов химических аккумуляторов в бортовых системах мобильной техники сельскохозяйственного производства.

Рис.1. Применяемость по энерго насыщенности различных типов ПРИМЕНЯЕМОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ АККУМУЛЯТОРОВ В МОБИЛЬНОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКЕ АК (а) и сравнительная характе ристика СК аккумуляторов (б).

СВИНЦОВО -КИСЛОТНЫЕ (СК), 85% В среднем по энергонасы щенности в Ач СК аккумуляторы НИКЕЛЬ - ЖЕЛЕЗНЫЕ (НЖ),10% НИКЕЛЬ - КАДМИЕВЫЕ (НК), 5% составляют 85%, НЖ – 10% и НК – а) 5%. Ёмкости стартерных АКБ, ис СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СК АККУМУЛЯТОРОВ пользуемых в составе автомобиль Вид АК Стационарный Тяговый Стартерный ного, тракторного и комбайнового Удельная энергия, (Вт*ч)/кг 8 - 12 20 - 28 28 - электрооборудования, находятся в Ресурс, циклы «Заряд Разряд» 1000 - 1500 250 - - диапазоне от 45 до 240 Ач при на Срок службы нормативный, лет 10 - 20 4- 6 2- пряжениях от 6 до 24 В. Емкости б) тяговых АКБ, предназначенных для энергообеспечения мобильных транспортных и подъмно-транспортных средств, как правило, от 165 до 600 Ач при напряжениях от 24 до 80 В. Сезон ный характер эксплуатации сельскохозяйственной техники, при котором пе риоды эксплуатации АКБ чередуются с длительными периодами е хранения, систематический недозаряд или перезаряд, а также саморазряд при хранении ведут к снижению активной поверхности пластин АКБ и загрязнению электро лита. В результате, существенно сокращается мкость АКБ, увеличивается е внутреннее сопротивление, ведущие к снижению значения и продолжительно сти тока нагрузки батареи, и по этим причинам батарея преждевременно сни мается с эксплуатации. Основным традиционным способом восстановления ра ботоспособности и продления срока службы АКБ является постановка батареи на контрольно-тренировочный цикл (КТЦ), при котором она непрерывно под вергается периодическим длительным циклам заряда и разряда. До этого АКБ тестируется по определению е основных исходных параметров: целостность конструктивных элементов, степень разряженности, чистота и плотность элек тролита, остаточная ЭДС, начальное внутреннее сопротивление, нагрузочная способность. На основании тестирования устанавливается возможность регене рации АКБ. В настоящее время можно выделить пять общепризнанных спосо бов заряда АКБ: при постоянной силе тока (гальваностатический), при посто янном напряжении (потенциостатический), ускоренный по экспоненциальному закону, ступенчатый по экспоненциальному закону, комбинированный (гальва ностатический и потенциостатический), рис.2.

Емкость АКБ в течение времени t заряда изменяется по следующей зави симости:

Qз Qo э I з t Qo э I у Qн t, (1) где IЗ – ток заряда, А;

Iу – удельный ток заряда, А/(Ач);

Q0, QН – остаточная и номинальная емкости АКБ, Ач;

э – коэффициент отдачи АКБ по мкости. При традиционном гальваностатическом способе заряда рекомендуется выбирать ток заряда для СК АКБ исходя из удельного тока 0,05-0,1 А/(Ач), а для НК и НЖ АКБ - 0,4 А/(Ач).

Uз Uз Uз Uз Uз t t t t t t Iз Iз Iз Iз Iз t t t t t д) г) в) а) б) Рис.2. Зависимости напряжения UЗ и тока IЗ заряда аккумуляторов при типовых способах их заряда: а) – при неизменном токе (гальваностатический заряд);

б) – при неизменном напряжении (потенциостатический заряд);

в) – ускоренный заряд по экспоненциальному закону;

г) - ускоренный заряд по экс поненциальному закону и ступенчатом изменении тока;

д) – комбинированный способ (например, гальваностатический и потенциостатический).

Основные недостатки типовых способов заряда аккумуляторов на посто янном токе:

- низкая эффективность заряда АКБ из-за поляризации и образования двой ного электрического слоя (ДЭС) в области электродов;

- повышенный нагрев электролита АКБ из-за явления поляризации;

- отсутствие электрической регенерации АКБ при заряде и необходимость проведения длительных КТЦ;

- повышенная трудомкость регенерации АКБ.

В настоящее время наряду со средствами заряда АКБ постоянным током предложены способы и средства регенеративного заряда АКБ знакоперемен ным (реверсивным). током, который в ряде случаев классифицируют асиммет ричным током. Сущность этих способов заключается в том, что периодически заряд АКБ сменяется е разрядом током, значение которого меньше тока заря да. Таким образом, реализуется заряд АКБ с внедрением в зарядный процесс, своего рода, разнеснного КТЦ. Иногда такой регенеративный режим заряда АКБ называют «заряд с тренировкой».

Вместе с тем, заряду АКБ реверсивным (асимметричным) током свойст венны свои дополнительные недостатки:

- завышение мощности силового согласующего трансформатора из-за под магничивания постоянной составляющей зарядного тока;

- повышенный электронагрев электролита АКБ и увеличение продолжитель ности заряда и расхода электроэнергии из-за наличия обратного (разрядного) тока;

- при фазовом управлении возникновение высокочастотных помех и необхо димость их подавления применением заградительных фильтров;

- повышенная относительная продолжительность регенерации АКБ из-за на личия обратного (разрядного) тока;

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассмотрена математическая модель двойного элек трического слоя (ДЭС) аккумулятора, разработаны схемы замещения аккумуля торной нагрузки при импульсном заряде и даны расчтные соотношения по оп ределению параметров схемы замещения. На основании этого определены це лесообразные режимы электротехнологии регенеративного заряда аккумулято ров импульсным током. Сделана оценка теплового состояния аккумулятора при регенеративном заряде инфра низкочастотным (ИНЧ) импульсным током.

Основополагающее влияние на протекание электрохимических процессов в аккумуляторе оказывает поляризация и образование двойного электрического слоя (ДЭС). ДЭС - тонкий поверхностный слой из пространственно разделен ных электрических зарядов противоположного знака, образующийся на границе двух фаз, в частности, на границе между электродом и раствором электролита, рис.3.

Рис.3. Схема, поясняющая Катод - явление поляризации в электро Анод + j лите АК (а) и распределение по Поляризация jo тенциала электрического поля - +- - + -+ - -- ДЭС с увеличением расстояния ++ -+- Адсорбционный слой + от электрода (б).

++ - -+- - + -+ Так как пространство раз + ++ -+- -+ ++ -+- + + + деления зарядов всегда сопрово -- + -+- ждается возникновением элек - + - Е ++ - + Диффузионный слой + ++ трической разности потенциалов, -+ - --- - + + + x то ДЭС следует рассматривать d + а) б) как конденсатор, у которого рас стояние между обкладками определяется молекулярными размерами соответст вующих ионов:

S П CД o d ДП d ДО, (2) где о - диэлектрическая постоянная, 8,8541910-12 Ф/м;

- относительная ди электрическая проницаемость среды (для воды 78,3 при температуре 298 К), SП - полная, с учетом пористости, площадь пар пластин электродов, м2;

dДО и dДП - толщина ДЭС соответственно для отрицательного (3,8…4,4)10-10 м и по ложительного электродов (3,4...3,9)10-10 м.

На ионы в ДЭС действуют одновременно электростатические силы и си лы теплового движения. В результате взаимно противоположного влияния этих сил лишь часть ионов остатся непосредственно вблизи поверхности электрода (плотная часть ДЭС или слой Гельмгольца), а остальные распределяются диф фузно в растворе на некотором расстоянии от электрода (диффузный ДЭС или слой Гуи), рис.3б. Степень диффузности увеличивается с ростом температуры, а также при уменьшении концентрации раствора электролита и при уменьше нии заряда электрода. Средняя толщина плотной части ДЭС порядка радиуса иона. Поэтому ДЭС обладает высокой электрической мкостью (~10-5 Ф/см2) и внутри него действует сильное электрическое поле (~10 6 В/см).

Таким образом, аккумулятор при заряде следует рассматривать как на грузку с противо-ЭДС, рис.4.

uп Uэ Uпп Uпо ic Iсп Iсо Lэ Rэ Rэ iа Cд Cдп Cдo Iа Rп Rпп Rпо iп Iпп Iпо Еа Uа Uа Еа а) б) Рис.4. Схемы замещения аккумуляторной нагрузки: а) – исходная, б) - пре образованная обобщнная для регенеративного импульсного ИНЧ заряда.

Для обобщнной схемы замещения на основании 2-го закона Кирхгофа получаем исходное дифференциальное уравнение:

duп u U а Еа C Д Rэ Rэ п uп, (3) dt Rп Решение дифференциального уравнения в общем случае имеет вид:

RЭ С Д (U E а ) RЭ С Д (U E а ) t ln[u П а ] ln[u ПО а ] (4) RЭ RЭ RЭ RЭ (1 (1 (1 ( ) ) ) ) RП RП RП RП RЭ С Д В - постоянная времени переходного процесса заряда мкости где RЭ (1 ) RП ДЭС аккумулятора.

С учтом этого, (4) преобразуется к показательному виду:

U Еа u ПО ) (1 e t / В ).

u П u ПО ( а (5) RЭ RП При полном разряде мкости СД ДЭС перед очередным импульсом заряда значение uПО = 0 и (5) упрощается до вида:

U Еа ) (1 e t / В ).

uП ( а (6) RЭ RП В случае отключения напряжения заряда АК при полностью заряженной мкости СД ДЭС уменьшение напряжения поляризации на ней с учтом посто янной времени отключения О = RПCД и установившегося при заряде устано вившегося потенциала ( U а Еа ) /(1+RЭ/RП) опишется уравнением:

U Еа ) e t / О ).

uП ( а (7) RЭ RП Сопоставив постоянные времени на включение зарядного напряжения АКБ и на отключение получим:

R О / В 1 П. (8) RЭ Таким образом, соотношение между продолжительностями включения tВ и отключения tО зарядного напряжения при полном заряде и разряде СД ДЭС:

R t O t В (1 П ). (9) RЭ Значение сопротивления RП перехода ДЭС зависит от состояния АКБ, но, на основании (9) всегда имеет место соотношение to tВ.

На рис.5 представлены кривые изменения напряжения и тока при регене ративном заряде АКБ импульсным ИНЧ током.

Исходные параметры АКБ, зависящие от текущего состояния батареи, определяются на основании замеров при входном тестировании перед регене ративным зарядом.

Полное внутреннее сопротивление АКБ:

U a Ea RЭ RП. (10) Ia Сопротивление электролита:

U a Ea RЭ, (11) ia (0) где ia(0) – ток заряда АКБ в момент включения зарядного напряжения.

На основании (10) и (11) определяется значение сопротивления перехода:

U Ea U a Ea RП a. (12) Ia i a (0) Значение мкости ДЭС СД в фарадах определяется по опытным данным записи переходного процесса при включении АКБ на заряд:

I a t CД. (13) U a где Ia, U – приращение тока и напряжения на АКБ при включении за малый период времени t.

Рис.5. Кри вые изменения на Ua Uа-Еа пряжения и тока Еа при регенератив tв tо ном заряде АКБ t импульсным током iп=-ic iп=-ic ia ia Соответст венно, на основа нии полученных t формул для напря Ua жений ДЭС акку ia(Rэ+Rп) ia(Rэ+Rп) мулятора получены Uп=iп*Rп формульные соот t Еа ношения для токов ia*Rэ ia*Rэ согласно схеме за мещения АКБ, представленной на рис.4б:

U а Еа ) e t / В ), iC ( (14) RЭ U Еа ) (1 e t / В ), iП ( а (15) RЭ RП U Еа R ) (1 Э ) e t / В ), ia ( а RЭ RП (16) RП U а Еа ) e t / O ).

iC iП ( (17) RП По опытным данным в зависимости от состояния АКБ RП (2…9)RЭ.

Большие значения относятся к сульфатированным СК и гидратированным НЖ и НК аккумуляторам. То есть, соответственно с учтом (9) имеем при регенери рующем импульсном зарядном напряжении:

R t O t В (1 П ) (3...10) t В. (18) RЭ При этом длительность импульсов заряда на включение и отключение АКБ определяется с учтом рассчитанных значений постоянных времени В и О после предварительного тестирования АКБ по определению е исходных па раметров. Для предварительной оценки числовых значений временных интер валов на включение АКБ на заряд tВ и на отключение tО использованы опытные данные, полученные в результате предварительного тестирования СК АКБ раз личных типов и различного состояния. На основании этих данных установлено, что длительность импульсов включения на заряд АКБ должна быть в пределах tВ = 0,15…0,6 с. Соответственно длительность импульсов отключения АКБ с учтом (18) tО = 0,45…6 с. Длительность одного цикла импульсного регенера тивного режима заряда АКБ может составлять TЦ = tВ + tО = 0,6…6,6 с, что со ответствует инфранизкой частоте (ИНЧ) коммутаций fК = 1/TЦ = 1,7…0,15 Гц.

На рис.6 представлена функциональная схема зарядной установки с пре образователем электроэнергии и программным управлением для реализации электротехнологии регенеративного заряда АКБ импульсным током.

Рис.6 Функциональная схе Сеть~ ма зарядной установки для реге УИ неративного импульсного заряда УВ аккумуляторных батарей.

ДН Установка содержит управ Ц П А ДТ А М Ц ляемый выпрямитель УВ, нагруз П К П кой которого является заряжае ДТр АБ мая аккумуляторная батарея АКБ.

Параметры аккумуляторной бата К внешним устройствам реи: температура электролита, сила зарядного тока и напряжение непрерывно контролируются соответственно датчиками температуры ДТр, тока ДТ и напряжения ДН. Затем контролируе мые параметры преобразуются в цифровую форму аналого-цифровым преобра зователем АЦП и поступают на вход программируемого микроконтроллера ПМК, где сравниваются с программно заданными значениями для данной ак кумуляторной батареи. Управляемый выпрямитель УВ содержит силовой со гласующий трансформатор и схему выпрямления на силовых тиристорах с фа зовым управлением. Изменение значения выпрямленного напряжения и тока заряда аккумуляторной батареи АБ осуществляется изменением угла управле ния силовых тиристоров выпрямительного моста и изменяется от нуля до мак симально возможного значения, определяемой конкретной схемой выпрямле ния. Для разряда АКБ на питающую сеть после полного заряда батареи преду смотрен управляемый инвертор УИ ведомый сетью. При этом энергия АКБ ре куперируется (возвращается) в питающую сеть с контролем количества отдан ной энергии в Ач до достижения батарей нижнего нормируемого значения на пряжения, которое для СК АКБ составляет 1,7 В на один аккумулятор.

На рис.7. представлена схема алгоритма для реализации электротехноло гии регенеративного заряда АКБ импульсным током.

Начало Рис.7. Схема алгоритма электро технологии регенеративного за Тестирование и ряда АКБ импульсным током.

ввод данных АК Отличительной особенно Заряд пост.током стью зарядной установки для им пульсного заряда АКБ является Да Выбраковка?

обеспечение повышенного значе Нет ния тока импульсного режима за Управление Контроль Заряд имп.током ряда Im по отношению к норми режимом заряда разряда руемому длительному, значение Опрос датчиков которого нормируется, например состояния АК для СК АКБ I10 = 0,1QН, и обеспе Нет чение контроля и стабилизации Заряжен АК?

температуры электролита и токов Да на нормированном уровне. Исходя Дозаряд пост.током Разряд из равенства тепловых потерь в аккумуляторной батарее для нор Да КТЦ?

мированного длительного режима Нет заряда постоянным током и для Конец импульсного режима заряда на ос новании метода эквивалентного (среднеквадратического) тока можно записать для этих сравниваемых режимов:

tВ t О I m I10 I10 q, (19) tВ где q= (tВ+ tО)/ tВ – скважность импульсов зарядного напряжения.

На основании рекомендуемых значений tВ и tО устанавливаем, что скваж ность импульсов тока заряда батареи при этом будет изменяться в диапазоне q = 1…44. Тогда по соотношению (19) определяем изменение амплитуды им пульсного тока заряда АКБ в зависимости от скважности импульсов, рис.8.

Из анализа графика рис.8 следует, что чем значительнее скважность реге нерирующих зарядных импульсов СК АКБ, тем большую амплитуду импульсов можно принять исходя из допустимого нагрева АКБ при длительном заряде при постоянном среднем значении импульсного тока заряда (гальваностатический заряд). В частности, при наибольшей скважности q = 44 амплитудное значение длительного тока импульсного заряда может превышать длительный постоян ный ток нормируемого гальваностатического заряда в 6,5 раз.

Рис.8. Зависимость изменения относи Im/I тельного значения амплитуды импульсного тока Im/I10 заряда СК АКБ в зависимости от 6. скважностирегенерирующих импульсов.

4. При включении АКБ на импульсный 3. регенеративный заряд из холодного состоя ния возможен ускоренный импульсный заряд 1. АКБ с ещ большими амплитудными значе q ниями тока заряда. При этом, по мере нагрева 0 10 20 30 40 АКБ, амплитуда импульсного тока заряда должна уменьшаться по экспоненци альной кривой с постоянной времени Н, равной постоянной времени ТН экспо ненциальной кривой нарастающего нагрева АКБ, рис.9.

Рис.9. Зависимости относительного изменения тока, превышения температуры и электрохимической емкости АКБ при ус коренном заряде при Н=ТН.

н = Тн Значение Н зависит от значения стар u/u у тового удельного тока АКБ IНУ, (А/(Ач), которое не должно превышать наибольший удельный рабочий ток аккумулятора, в за висимости от типа аккумуляторов состав ляющий (2…4) А/(Ач). Анализ показывает, что наименьшее допустимое значе ние нормированной постоянной времени заряда СК АКБ составляет из этого условия Н min = 0,25…0,5 ч, что согласуется с опытными данными для ТН. Соот ветственно, исходя из этого, наименьшая продолжительность ускоренного за ряда должна составлять не менее 4(0,25…0,5) = 1…2 ч.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена выполнению энергетической части зарядно разрядного преобразователя (ЗРП). Основной отличительной особенностью ЗРП для регенеративного заряда является обеспечение повышенного значения тока импульсного режима заряда и обеспечение контроля и стабилизации тем пературы электролита и токов на нормированном уровне. Так как процессы за ряда и разряда аккумуляторной батареи при электрической регенерации дли тельные и только один цикл заряд-разряд-заряд может длиться до 30 часов и более, зарядная установка должна быть программно автоматизированной с це пями обратных связей по основным контролируемым параметрам.

Основные параметры автоматизированного ЗРП для регенеративного за ряда АКБ импульсным током, приведены в нижеследующей Таблице 1.

Таблица № Наименование параметра Значение п/п Номинальное напряжение питающей сети ~380/220 В 1.

Число фаз электропитания 2. Регулируемый длительный ток заряда 0-125 А 3.

Максимальный импульсный выходной ток 500 А 4.

Регулируемый длительный ток разряда 0-125 А 5.

Регулируемое выходное напряжение 0-120 В 6.

Длительность интервала заряда АКБ 0,15-0,6 с 7.

Длительность интервала отключения АКБ 8. 0,5- 9. Количество этапов в режиме заряда АКБ 10. Количество этапов в режиме разряда 11. Завершение режима разряда по напряжению АКБ 12. Контроль емкости АКБ при заряде и разряде Да 13. Восстановление АКБ в КТЦ Да 14. Количество циклов заряд-разряд-заряд 1- Да 15. Автоматический контроль температуры 16. Количество каналов контроля температуры АКБ Да 17. Автокорректировка режима заряда по температуре Да 18. Измерение тока и напряжения на выходе установки 19. Количество каналов контроля напряжения на АКБ Да 20. Автокорректировка режима заряда по напряжению 21. Контроль состояния предохранителя на выходе Да 22. Контроль напряжения в фазах питающей сети Да Основные параметры для индикации на панели оператора:

заданное время процесса;

фактическое время процесса;

23. полученная АКБ емкость;

отданная от АКБ емкость;

ава- Да рийные режимы и обнаруженные неисправности;

база АКБ;

журнал аварий Выпрямитель и инвертор ведомый сетью выполняются каждый по классической трхфазной мостовой схеме с использованием тиристорных мо дулей типа SKKT162/12E с общей установкой на стандартных охладителях Р300-SMK воздушного охлаждения совместно с системами импульсно фазового управления (СИФУ) выпрямителем и инвертором, рис.10.

Рис.10. Общий вид тиристорного бло ка выпрямителя и инвертора с уста новленной комплектацией: 1 тиристорный модуль SKKT 162/12 Е, 2-охладитель, 3-вентилятор, 4-СИФУ выпрямителя, 5-СИФУ инвертора.

Известно, что математически связь между действующим (греющим) I и средним Id значениями тока тири стора можно выразить через коэффи циент формы тока kФ:

I = kФId. (20) В общем случае, для расчта коэффициента формы тока тиристора и оценке его нагрузочной способности при любом характере нагрузки использо валась аппроксимирующая формула профессора Л.П.Шичкова:

Tk kФ kФО. (21) где kФО – опорный аппроксимирующий коэффициент, значение которого равно 1,00 при прямоугольной форме тока тиристора;

1,11 – при синусоидальной форме и 1,16 – при треугольной форме импульса тока тиристора;

Tk – период коммутации тиристора для его тока нагрузки, рад;

- угол проводимости тири стора, рад.

С учтом условий охлаждения тиристоров выпрямителя и инвертора ЗРП получена формула по расчту допускаемого тока IХ нагрузки отдельного тири стора:

Vc 1, I X I Н [ О (1 О ) ] Тk, (22) Vcн kФО где IН – номинальный ток тиристора, А;

О = Ао / Ан – коэффициент, равный отношению теплоотдачи Ао тиристора при скорости охлаждающего потока Vc=0 к теплоотдаче Ан при номинальных (паспортных) условиях охлаждения Vc=Vсн.

В ЧЕТВЁРТОЙ ГЛАВЕ рассмотрены система мониторинга и управления зарядно-разрядным преобразователем, которая должна обеспечивать управле ние энергетическим цепями преобразователя, реализовать разветвленный алго ритм выполнения процессов заряда-разряда и восстановления аккумуляторных батарей (АКБ) и реализовать сервисные функции преобразователя. Из-за мно гофункциональности эта система выполнена с использованием программно управляемых аппаратных средств, так как исключительно е аппаратная реали зация будет обладать высокой степенью сложности и низкой надежностью.

На рис.11 представлена полная функциональная схема ЗРП. Энергетиче ские цепи этого преобразователя состоят из силового трансформатора Т, трех фазных мостовых выпрямителя U1 и инвертора U2. Для управления этими ти ристорами в зарядно-разрядном преобразователе использованы две трехфазные СИФУ - А2 для выпрямителя и А3 для инвертора.

Рис.11. Полная функциональная схема зарядно-разрядного преобразователя.

К блоку регулирования А4 подключены датчики тока ДТ1, ДТ2 и датчики напряжения ДН1 и ДН2. Датчик ДТ1 обеспечивает измерение потребляемого преобразователем тока, в соответствии со значением которого может ограничи ваться сила тока на выходе преобразователя, что позволяет избежать перегрева элементов энергетических цепей преобразователя при работе в режиме им пульсного заряда. Датчик ДН1 предназначен для измерения напряжения на об служиваемой АКБ, а ДН2 – на ведущем процесс аккумуляторе этой батареи.

Использование этих датчиков позволяет корректировать процессы заряда разряда АКБ по е состоянию. Причем, датчик ДН2 подключается к аккумуля тору с наихудшими характеристиками, что позволяет в значительной степени уменьшить степень неравномерность заряда аккумуляторов в батареи. Задание силы тока заряда или разряда АКБ и управляющие команды поступают на блок регулирования А4 по информационной сети от программируемого логического контроллера (ПЛК) А5. ПЛК управляет преобразователем в соответствие с тре буемым алгоритмом. В свою очередь, по этой сети блок регулирования А4 пе редает на ПЛК А5 информацию о своем состоянии и измеренные датчиками ДТ1, ДТ2, ДН1, ДН2 значения. Интерфейс человек-машина в ЗРП обеспечен с помощью сенсорной панели оператора А6, которая через последовательный порт подключена к ПЛК А5. Таким образом, система мониторинга и управле ния ЗРП состоит из ПЛК (А5), панели оператора (А6), модуля измерения тем пературы (А1), блока регулирования (А4) и двух СИФУ (А2 и А3). Конкретное сопряжение указанных средств представлено на схеме рис.12.

Рис.12. Функциональная схема зарядно-разрядного преобразователя с вспомогательными устройствами.

В системе управления и мониторинга применяются четыре программно управляемых устройства: программируемый логический контроллер DVP32EH00T2, модуль измерения температуры МВА8, блок регулирования и панель оператора DOP-AE80THTD. Программное обеспечение (ПО) каждого из этих устройств решает строго определенные функции:

1. Для ПЛК - общие задачи управления зарядно-разрядным преобразова телем и технологическим процессом, управление информационной сетью;

2. Для модуля измерения температуры – измерение и передача данных в информационную сеть;

3. Для блока регулирования – обработка сигналов от аналоговых датчи ков, автоматическое регулирование выходного тока преобразователя, автоба лансировка измерительных цепей, прием и передача данных по информацион ной сети;

4. Для панели оператора – интерфейс связи между оператором и ПЛК, об служивание технологической базы данных преобразователя, контроль лицен зии.

При разработке и реализации ПО преобразователя было использовано только свободно распространяемое инструментальное ПО, что позволяет избе жать проблемы с использованием авторских прав. Распечатка конкретных про грамм приведена в Приложении диссертации.

ПЯТАЯ ГЛАВА посвящена особенностям конструктивного выполнения ЗРП и оценке электротехнологии заряда АКБ с ЗРП регенеративного заряда импульсным током.

Конструктивно преобразователь для регенеративного заряда АКБ им пульсным питанием выполнен в виде шкафа двухстороннего обслуживания на польной установки. Двухстороннее обслуживание ЗРП облегчает обслуживание и эксплуатацию преобразователя, а соответственно повышает его эксплуатаци онную наджность. Другой конструктивной особенностью ЗРП является блоч но-модульное выполнение и размещение всех компонентов преобразователя. В частности, основные кнопки управления преобразователем и панель оператора вынесены на лицевую сторону передней двери, рис.13. Поэтому в рабочем ре жиме преобразователя двери шкафа плотно закрыты через уплотнители и, тем самым, снижается воздействие окружающей среды на внутреннюю аппаратуру.

Рис.13. Вид конструктивного размещения панели оператора и основ ных кнопок управления ЗРП.

Лабораторные испытания ЗРП проводились поэтапно как в процессе изготовления и отладки отельных узлов и блоков, а также в целом после завер шения всех монтажно-сборочных работ.

В Таблице 2 приведены обобщн ные данные производственной апроба ции по регенеративному заряду АКБ импульсным током, которые по однотипности заряжаемых батарей сведены в четыре группы.

Таблица Среднее уве Средняя мкость Число регенери- Исходная сред- личение мко АКБ после од Номер руемых АКБ няя мкость сти АКБ после ного цикла ре группы импульсным то- АКБ, одного цикла генерации, ком регенерации, % % % 1 21 32,86 78,57 45, 2 18 45,56 81,67 36, 3 57 28,77 73,86 45, 4 70 39,86 85,29 45, Анализ данных Таблицы 2 подтверждает высокую эффективность регене ративного заряда АКБ импульсным током. Эту же высокую эффективность подтверждают заключения и протоколы, представленные сторонними органи зациями, которые приведены в Приложении диссертации.

Экономический эффект от использования разработанного ЗРП для им пульсной регенерации АКБ составляет 1,1 млн. руб. в год в расчте на одну ав томатизированную установку, которая в системе централизованного обслужи вания АКБ при полном нормированном использовании в течение года окупает ся примерно через полтора года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основные результаты диссертационной работы заключаются в следую щем.

1. Выполнен анализ технологий заряда и заряда-разряда аккумуляторов в службах сельского хозяйства. Преимущественное использование в мобиль ных средствах АПК получили свинцово-кислотные аккумуляторы, относи тельный объм которых по энергоиспользованию составляет в среднем 85%.

2. Разработана математическая модель и обоснованы параметры схемы заме щения аккумуляторной нагрузки. Установлено, что на протекание электро химических процессов в аккумуляторе существенное влияние оказывают поляризационные явления в ДЭС, которые по природе их возникновения обуславливаются слоями адсорбционным и диффузионным. На основании схемы замещения аккумуляторной нагрузки даны расчтные соотношения по определению е параметров и установлены оптимальные продолжитель ности включения tВ = 0,15…0,6 с и отключения tО = 0,45…6 с зарядного на пряжения и оптимальный диапазон инфра низких частот коммутаций, со ставляющий fК = 1,7…0,15 Гц.

3. Проведн анализ теплового режима АКБ при импульсном регенеративном заряде по сравнению с типовым гальваностатическим зарядом на постоян ном токе. Предложено при ускоренном режиме заряда для исключения пе регрева АКБ устанавливать равенство между постоянной времени нагрева АКБ и постоянной времени экспоненциального процесса ускоренного заря да по правилу ампер-часов. При этом полная продолжительность ускорен ного заряда АКБ для исключения е перегрева должна составлять не менее 1…2 часов.

Разработано схемотехническое решение и дана методика расчта парамет 4.

ров элементов энергетических цепей зарядно-разрядного преобразователя.

Проведн анализ работы ЗРП в режиме выпрямления и инвертирования с рекуперацией энергии АКБ в питающую сеть. На основании анализа уста новлены граничные режимы управления выпрямителем и инвертором. При ведены схемные и конструктивные решения основных блоков энергетиче ской части ЗРП.

Предложен алгоритм программного управления зарядно-разрядным преоб 5.

разователем и осуществлена его автоматизация с выбором соответствую щих аппаратных и программных средств. Обоснован выбор программно управляемого блока - микроконтроллера ADUC7020, оснащенного пятика нальным 12-битным АЦП и четырех канальным 12-битным ЦАП. Составле но программное обеспечение для управления всеми программно аппаратными устройствами преобразователя - логическим контроллером DVP32EH00T2, блоком регулирования и панелью оператора DOP AE80THTD. Приведены схемные, конструктивные и интефейсные решения основных звеньев информационной части ЗРП.

Использование при разработке ЗРП и его выполнении блочно-модульного 6.

построения с использованием современной унифицированной комплекта ции позволило обеспечить его высокую наджность и широкую функцио нальность за счт программной автоматизации основных функций управле ния.

В результате производственных испытаний установлена высокая эффектив 7.

ность регенеративного заряда АКБ импульсным током. За один цикл реге нерации от ЗРП мкость АКБ в среднем возрастает на 45% по сравнению с исходной мкостью, а срок службы АКБ увеличивается не менее чем на 20% по сравнению с нормативным сроком службы, что подтверждено испы таниями.

Дана технико-экономическая оценка эффективности разработанной элек 8.

тротехнологии регенеративного заряда аккумуляторов с учетом апробации разработки в производственных условиях. Экономический эффект от ис пользования разработанного ЗРП для импульсной регенерации АКБ в сис теме централизованного обслуживания АКБ при нормированном использо вании в течение года на протяжении 250 дней, составляет 1,1 млн. руб. в год в расчте на одну автоматизированную установку, которая при этом окупа ется примерно через полтора года.

Публикации по теме диссертации:

публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ 1. Шичков Л.П., Тюхтин К.И., Струков А.Н. Выпрямитель для регенеративного заряда аккумуляторов / Мех. и эл. с.х. №7, с. 25-27, 2009.

2. Шичков Л.П., Тюхтин К.И. Восстановительный заряд аккумуляторных бата рей импульсным током / Мех. и эл. с.х. №8, с. 29-31, 2009.

3. Шичков Л.П., Тюхтин К.И., Струков А.Н. Восстановление мкости аккуму ляторных батарей импульсным током обратной полярности / Мех. и эл. с.х. №4, с.24-26, 2010.

публикации в других изданиях 4. Патент №46368 РФ / Информационно-аналитическая система управления процессом регенерации аккумуляторов / К.И.Тюхтин. Приоритет от 11.03.2005.

5. Патент №59337 РФ / Устройство для восстановления аккумуляторной бата реи / К.И.Тюхтин. Приоритет от 08.08.2006.

6. Патент № 2309509 РФ / Способ и устройство для восстановления аккумуля торной батареи / К.И.Тюхтин. Приоритет от 08.08.2006.

7. Тюхтин К.И. Регенеративный заряд аккумуляторных батарей / Вестник РГАЗУ. Научный журнал №4 (9), с.149-151. М: РГАЗУ – 2008.

8. Шичков Л.П., Тюхтин К.И. Программное управление режимами заряда и электрической регенерации аккумуляторных батарей сельскохозяйственной техники / Вестник РГАЗУ. Научный журнал №4 (9), с. 151-154. М: РГАЗУ – 2008.

9. Тюхтин К.И. Расширение области применения технологии «МКТ Групп» по продлению срока службы аккумуляторных батарей / Бюллетень ОСЖД, №4, с.24-27, 2008.