Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Энергетические аспекты функционирования транспортных систем

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Экономичная работа привода любого транспортного средства обусловлена целым рядом факторов как объективного, так и субъективного плана, основными из которых являются:

  • • состояние путевой структуры;
  • • техническое состояние элементов привода и подвижного состава в целом;
  • • погодные условия;
  • • квалификация водителя и т. д.

Вместе с тем одним из основополагающих моментов, определяющих впоследствии экономичность его работы, становится использование на транспортном средстве тягового двигателя оптимальной мощности. Действительно, при недостаточной мощности двигателя приемлемые динамические показатели достигаются, как правило, в результате форсировки режимов его работы, что сопровождается повышенным расходом энергии, вызванным снижением КПД привода.

Применение двигателя большой мощности также ведет к перерасходу энергии, но уже вследствие малых значений КПД энергетической установки, работающей в режиме недоиспользования мощности. Такая ситуация характерна для приводов как с электрическими машинами, так и с тепловыми.

Общеизвестно, что для городского пассажирского транспортного средства, оснащенного электроприводом, при классической схеме движения различают три фазы: пуск, выбег, торможение. При этом энергия, необходимая для движения на всем перегоне, потребляется на стадии пуска и расходуется на преодоление сил сопротивления движению, а также накапливается в виде кинетической энергии подвижного состава.

Графики, отражающие такую схему движения транспортного средства с электроприводом в виде зависимостей v(7) и v(/), получившие название «кривые движения», показаны на рис. 3.8, а [7].

Кривые движения транспортных средств

Рис. 3.8. Кривые движения транспортных средств: а- с электроприводом; б - с тепловым двигателем

Для транспортного средства, оснащенного приводом с тепловым двигателем, кривые движения имеют вид, представленный на рис. 3.8, б. Обе кривые построены для перегона одной длины при условии равенства средних скоростей движения на нем для обоих вариантов исполнения приводов.

При сопоставлении кривых движения выясняется, что характер энергопотребления в обоих вариантах принципиально различается:

  • • для подвижного состава с электроприводом характерно потребление энергии во время пуска и возврат (рекуперация) во время торможения;
  • • для подвижного состава с тепловым двигателем характерно потребление энергии (топлива) во всех фазах движения, а также во время стоянки на остановочном пункте.

Из рисунков видно, что независимо от типа привода в кривых движения присутствуют две характерные точки: точка а, в которой приводной мотор развивает максимальную мощность, и точка б, с которой начинается процесс торможения.

Развиваемая двигателем в процессе пуска мощность позволяет подвижному составу преодолевать сопротивление движению и получать необходимое ускорение. Для подвижного состава с электроприводом в соответствии с рис. 3.8, а после перехода на выбег (точка а кривой движения) тяговое усилие исчезает, а движение происходит по инерции за счет накопленной кинетической энергии. Для подвижного состава с тепловым двигателем в точке а происходит переход в режим поддержания постоянства скорости, при котором развиваемая двигателем мощность позволяет транспортному средству преодолевать только силы сопротивления движению.

В процессе торможения подвижного состава с электродвигателем появляется возможность возврата части потребленной при пуске энергии за счет рекуперации. Необходимым условием обеспечения режима рекуперативного торможения будет использование накопителя электрической энергии [8, 9]. При оснащении транспортного средства приводом с тепловым двигателем торможение происходит только с помощью механического тормоза.

Таким образом, даже поверхностное сопоставление экономичности рассматриваемых вариантов дает основание сделать предположение о целесообразности использования на транспорте тяговых электроприводов.

Вместе с тем следует отметить, что до настоящего времени нет однозначного ответа на вопрос, каким образом следует определить оптимальную величину мощности тягового двигателя. Естественно предположить, что мощность зависит от вместимости подвижного состава. Но каков характер этой зависимости - неизвестно. И если в области электрического транспорта в свое время были предприняты попытки теоретически обосновать определение мощности тягового электродвигателя [10], то для пассажирского транспорта с тепловым двигателем такого обоснования не разрабатывалось. Здесь надо сказать, что, хотя для электрического транспорта и были разработаны рекомендации, они не давали однозначного ответа на вопрос, оптимальна или нет величина мощности для подвижного состава данной вместимости [11].

Немаловажным фактором, влияющим на расход энергии на движение, является длина перегона, оптимальное значение которой по критерию минимума расхода энергии на движение для наземного электрического транспорта согласно [12] составляет Lncp=550 м. Это величина и была положена в основу при расчете расхода энергии на движение транспортного средства как с электроприводом, так и с тепловым двигателем.

В соответствии с изложенным выше максимальная потребная величина мощности Р для реализации движения в точке а кривой определяется как

где Fr - развиваемое усилие тяги на ободе колеса;

W - сила сопротивления движению (в качестве примера кривая зависимости удельного сопротивления движению для троллейбуса приведена на рис. 3.9);

у = 1,12... 1,14 - коэффициент инерции вращающихся масс экипажа; тис ~ масса подвижного состава;

Яцуск - ускорение при пуске; va - скорость в точке а.

При этом накопленная подвижным составом механическая энергия определяется по известному выражению

Мощность же, реализуемая двигателем для разгона подвижного состава с ускорением апуск с учетом КПД передачи, определяется выражением

где г)дв - КПД двигателя;

г|мп_ КПД механической передачи.

Дальнейший анализ кривых движения показывает, что, во-первых, скорость подвижного состава с электродвигателем в точке а выше, чем у того, который оснащен тепловым, и, во-вторых, величины скорости начала торможения также различны. Для подвижного состава с электроприводом скорость в точке б ниже, чем у того, который оснащен тепловым двигателем. Механическая энергия, накопленная транспортными средствами с электрическим (Дмехтэд) и тепловым двигателем мехтд) в точке а, согласно (3.4) составит соответственно:

и

Кривая зависимости удельного сопротивления движению для троллейбуса

Рис. 3.9. Кривая зависимости удельного сопротивления движению для троллейбуса

Здесь следует отметить, что несмотря на более высокую скорость конца режима пуска транспортного средства с электроприводом, номинальная мощность тягового электродвигателя благодаря его перегрузочной способности, как правило, в 2 раза меньше для приводов с двигателем постоянного тока и в 3 - с двигателем переменного тока. В связи с этим номинальная мощность тягового электродвигателя определяется как

где &пеР- коэффициент перегрузочной способности электродвигателя.

Анализ выражения (3.3) показывает, что мощность двигателя на стадии пуска определяется главным образом величиной пускового ускорения. Для подтверждения этого факта воспользуемся в качестве примера расчетом мощности тягового двигателя для транспортного средства массой 13,2 т. На городском электрическом транспорте среднее пусковое ускорение принимается обычно равным я1|уск = 1,5 м/с2, однако реальное его значение в приводах с двигателями постоянного тока изменяется в соответствии с зависимостью, показанной на рис. 3.10.

ЗЛО. Кривая изменения ускорения в функции скорости

Рис. ЗЛО. Кривая изменения ускорения в функции скорости

С учетом сказанного максимальные потребные величины мощности Ртэди Ртд для реализации движения в точке а кривой движения для электрического и теплового двигателей, рассчитанные в соответствии с (3.3):

Значения Fr и W для варианта привода с электродвигателем составляют соответственно 12419 Н и 3415 Н, для привода с тепловым двигателем - 13306 Н и 3195 Н. При этом скорости в точке а согласно рис. 3.8 равны Утэд = 17 м/с и v-рд = 16 м/с.

Мощность же двигателей, необходимая для разгона подвижного состава, при использовании в качестве тягового электродвигателя переменного тока и рассчитанная в соответствии с (3.5) и (3.6):

а теплового -

Для определения оптимальной мощности теплового двигателя воспользуемся следующим приемом. Построим зависимость расхода энергии на движение в удельной форме, для чего подвижной состав оснастим двигателями различной мощности и для каждого варианта строим кривые движения v(7), определяем расход энергии на движение и величину удельного расхода энергии, эквивалентной электрической.

На рис. 3.11 приведены кривые движения для транспортного средства массой 13,2 т с тепловыми двигателями от 191 до 217 кВт, движущегося на принятом перегоне Lncp = 550 м.

По результатам расчетов расхода энергии на движение транспортным средством с различными по мощности тепловыми двигателями построена зависимость удельного расхода энергии Ауд в функции мощности двигателя Р (рис. 3.12).

Кривые движения транспортного средства с тепловым двигателем различной мощности

Рис. 3.11. Кривые движения транспортного средства с тепловым двигателем различной мощности

Анализ кривых движения и удельного расхода энергии на нужды тяги демонстрирует снижение удельного расхода энергии при увеличении мощности теплового двигателя.

Для реализации экономичной работы энергетической установки транспортного средства целесообразно использовать на нем двигатели внутреннего сгорания, электрическую машину с преобразователем и буферный накопитель энергии, позволяющий оптимизировать режимы работы как двигателя внутреннего сгорания, так и электрической машины.

Зависимость удельного расхода энергии А в функции мощности двигателя Р

Рис. 3.12. Зависимость удельного расхода энергии Ауд в функции мощности двигателя Р

Критерии для определения величины мощности электрического двигателя вытекают из выполнения следующих условий.

  • 1. Обеспечение реализации необходимого замедления при торможении. В этом случае при рекуперации двигатель развивает мощность, обеспечивающую регламентированное замедление. Для подвижного состава горэлектротранспорта обычно принимается аторм = «пуск= - 1,5 м/с2.
  • 2. Обеспечение реализации необходимого ускорения при пуске. При этом двигатель полностью расходует электроэнергию от накопителя, в который она поступает в процессе торможения подвижного состава.

В режиме пуска, как уже говорилось выше, возможны два варианта исполнения движения:

  • • транспортное средство разгоняется при помощи электродвигателя, мощность которого определена из условия обеспечения режима торможения. В этом случае разгон его до определенной скорости осуществляется с худшими динамическими показателями (кривая 2 на рис. 3.13);
  • • транспортное средство при помощи электродвигателя разгоняется до определенной скорости с требуемыми динамическими показателями (кривая 1 на рис. 3.13). При этом требуемая величина мощности электродвигателя больше, чем определенная по режиму торможения.

Кривые движения при различных мощностях двигателя

Рис. 3.13. Кривые движения при различных мощностях двигателя

В обоих случаях дальнейший разгон до установившейся скорости необходимо осуществлять с помощью теплового двигателя.

Для оценки величины мощности электрического двигателя транспортного средства с принятой массой произведен расчет ее значения для режима торможения с рекуперацией энергии в накопитель. Для обеспечения режима торможения со скорости 16 м/с должна развиваться мощность (Ррек):

где Акш - кинетическая энергия, которой обладает подвижной состав к моменту прекращения процесса рекуперации (5...7 км/ч) и замещения электрического торможения механическим.

Так как на тормозящий подвижной состав действуют тормозные усилия, создаваемые электродвигателем и окружающей средой, то

где P(W) - в соответствии с рис. 3.13 может быть определена с достаточной степенью точности как средняя величина в интервале скоростей от 60 (Жбо) до 5 км/ч (fV5):

а номинальная мощность двигателя переменного тока в соответствии с (3.5 и 3.6)-

что существенно меньше ранее найденной величины мощности в режиме пуска.

Таким образом, в целях уменьшения расхода горючего на транспортных средствах, оснащенных тепловыми двигателями, целесообразно использовать тяговые электрические двигатели с накопителем электрической энергии. Мощности электрического и теплового двигателей могут быть определены согласно предложенной методике.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >
 

Популярные страницы