Средне индикаторное давление 4 страница

Таким образом, двухрежимный регулятор действует как регулятор холостого хода и как предельный. На рабочих режимах машинист рукояткой управления задает подачу топлива, а угловая скорость устанавливается в результате взаимодействия крутящего момента и момента сопротивления в точке равновесия.

Гидромеханические регуляторы действуют относительно медленно и использование их в качестве регуляторов безопасности недостаточно эффективно. Они применяются обычно в качестве многорежимных регуляторов, а для защиты от чрезмерной скорости часто предусматриваются дополнительные предельные регуляторы прямого действия, настраиваемые на угловую скорость выше номинальной.

Характеристики момента дизеля с многорежимным регулятором (рис. 3.16 а) представляют собой сетку регуляторных характеристик, число которых при ступенчатом управлении равно числу положений органа управления, а наклон определяется степенью статизма регулятора; при изодромном регуляторе они вертикальны. Регуляторные характеристики ограничиваются сверху внешней характеристикой дизеля, получаемой при предельном положении исполнительного органа регулятора. Работа дизеля под нагрузкой возможна в любой точке каждой из характеристик и определяется моментом сопротивления нагрузки (линия АВ), а также положением органа управления, которым задается угловая скорость; подачу топлива устанавливает регулятор.

Устойчивость работы зависит главным образом от параметров регулятора. Если орган управления установлен в положение номинальной скорости, а момент сопротивления пересекает внешнюю характеристику при меньшей скорости, регулятор достигает положения упора, а режим дизеля с нагрузкой устанавливается путем саморегулирования и устойчивость его работы зависит лишь от характеристик крутящего момента и момента сопротивления.

При двухрежимном регуляторе (рис. 3.16 б) положение органа управления задает внешнюю или частичные характеристики дизеля, ограничивающиеся по скорости регуляторными характеристиками, наклон которых, как и в предыдущем случае, зависит от степени статизма.

Режим работы определяется также пересечением момента сопротивления АВ с одной из характеристик, но в этом случае положение органа управления задает подачу топлива, а угловая скорость зависит от момента сопротивления. Устойчивость работы определяется в этом случае характеристиками дизеля и нагрузки. Если орган управления задает подачу топлива больше, чем требуется по нагрузке (точка В), то регулятор уменьшает подачу топлива, и тогда устойчивость зависит от параметров регулятора.

Основные выводы и соотношения, приведенные выше, справедливы и для ГТУ. Однако необходимо учитывать и некоторые особенности работы и характеристик последних. К валу турбины одновальной ГТУ приложены момент сопротивления компрессора М _к и нагрузки М _с. Уравнение движения одновальной ГТУ можно написать в форме

,

где М_Т=f(х, n_д) – крутящий момент турбины; J – момент инерции вращающихся масс, связанных с валом турбины.

Если принять давление и температуру наружного воздуха постоянными, то М_к зависит только от угловой скорости и изменяется приблизительно пропорционально второй степени последней (рис. 3.17).

Если в трубопроводе, по которому подводится топливо к регулирующему органу (топливному клапану), давление поддерживается постоянным независимо от угловой скорости вала турбины, например, при наличии регулятора давления, то крутящий момент турбины при различных положениях регулирующего органа падает по мере увеличения угловой скорости (линии АВ, А₁В₁...). Если же при увеличении угловой скорости турбины пропорционально или более интенсивно растет давление топлива, то крутящий момент также возрастает (линии АС, А₁С₁...). Такие характеристики получаются, например, когда топливо поступает к топливному клапану от насоса, приводимого турбиной без промежуточного регулятора давления.

При холостом ходе (М_с =0) в первом случае возможность устойчивой работы ГТУ обеспечивается благодаря взаимному расположению характеристик С₂Е₂ и А₃В₃. Если момент турбины растет с увеличением угловой скорости, например по линии С₂Е₂, режим работы ГТУ может оказаться статически неустойчивым. При нагрузке в первом случае статическая устойчивость возможна даже при относительно неблагоприятной характеристике момента нагрузки, например, при М = сопst. Когда момент турбины растет при увеличении скорости, возможность устойчивой работы, в особенности при малых угловых скоростях, существенно зависит от наклона характеристики момента нагрузки и не всегда обеспечивается. Поэтому при характеристиках турбины вида СЕ, С₁Е₁,... автоматическое регулирование, как правило, применяется. При постоянном давлении топлива ГТУ может работать без регулятора. Однако нередко регуляторы используют и в этом случае для лучшей стабилизации скорости.

В ГТУ со свободной тяговой турбиной к валу компрессорной турбины приложен только момент сопротивления компрессора и условия устойчивой работы последнего зависят от характеристик турбины и компрессора.

Как правило, для турбокомпрессора предусматривается автоматическое регулирование угловой скорости. Режим тяговой турбины определяется характеристиками турбины, близкими по форме к линиям АВ, А₁В₁,..., и характеристикам момента нагрузки. Если момент нагрузки растет при увеличении угловой скорости, в регуляторе нет необходимости.

В системы автоматического регулирования ГТУ часто включают узлы ограничения максимальной температуры газов перед турбиной и мощности при низких, температурах наружного воздуха. Кроме того, для ГТУ требуется более точное, чем для дизеля, программное регулирование мощности в зависимости от угловой ско­рости для предотвращения опасности помпажных колебаний и т. п.

Если в процессе регулирования подача топлива увеличивается быстрее, чем угловая скорость компрессора, то температура газов перед турбиной может превысить допустимую. Поэтому в систему регулирования вводятся устройства, замедляющие перемещение регулирующего органа.

В системах автоматического регулирования газотурбовозов с электропередачей предусматривают, как правило, объединенное регулирование ГТУ и генератора. Регуляторы применяют многорежимные с дистанционным управлением от рукоятки контроллера машиниста. Число положений контроллера выбирается значительно больше, чем на тепловозах (20—30), так как резкое изменение режима работы ГТУ опасно. В ряде газотурбовозов при перемещении рукоятки контроллера одновременно с изменением настройки регулятора на более высокую угловую скорость увеличивается посредством второго дистанционного привода управления наибольшая подача топлива, поддерживаемая регулятором путем изменения возбуждения генератора. Для устранения опасности резкого увеличения подачи топлива при быстром перемещении рукоятки сразу на несколько положений, в контроллер вводят блокировки, препятствующие повороту сразу на несколько положений, или устройства, замедляющие поворот рукоятки.

Лекция 4

1. Характеристики тяговых аккумуляторных батарей.

2. Характеристики топливных элементов.

3. Характеристики комбинированных энергоустановок.

К электрохимическим аккумуляторным батареям, используемым на транспортных средствах, предъявляют следующие требования:

– высокая удельная энергоемкость;

– минимальный саморазряд;

– высокий КПД при заряде и разряде;

– малое внутреннее сопротивление;

– широкий диапазон рабочих температур;

– минимум токсичных газовыделений;

– взрыво- и пожаробезопасность в эксплуатации;

– простота в обслуживании;

– механическая прочность, и надежность,

– длительный срок службы и хранения;

– минимальные массогабаритные и стоимостные показатели и др.

Тяговые аккумуляторные батареи (ТАБ) – весьма сложная электрохимическая система с непрерывно меняющимися параметрами. За период разряда аккумуляторов в них происходит распад исходных и образование новых химических соединении, перераспределение плотностей электролита, газовыделение и т.д. Поэтому параметры ТАБ могут изменяться в функции времени, режима разряда, температуры и пр.

В условиях эксплуатации ТАБ работают в неустановившихся прерывистых режимах разряда (а при наличии рекуперативного торможения – и кратковременных подзарядов) с изменяющимся значением разрядного (зарядного) тока. В связи с этим аналитические выражения, связывающие параметры ТАБ (ток, время разряда, емкость, напряжение батареи и др), найти весьма сложно, их можно получить только для конкретных типов аккумуляторов и определенных режимов и условий их работы в неудобной для практического применения форме. Поэтому для ТАБ целесообразно пользоваться схемой замещения и графическими зависимостями.

Наиболее общей является схема замещения ТАБ, показанная на рис. 4.1, а, где Е_ТАБ – ЭДС ТАБ, изменяющаяся в функции степени разряженности Q_р аккумуляторов; R₀ – активное сопротивление ТАБ, зависящее от степени разряженности аккумуляторов и температуры t электролита, L_ТАБ – собственная индуктивность ТАБ, имеющая тенденцию к снижению при высокочастотных импульсных режимах разряда вследствие поверхностного эффекта; R₁C₁, …, R_mC_m – цепи, характеризующие ЭДС поляризации аккумуляторов и ее изменение (значение ЭДС зависит от степени разряженности ТАБ и температуры электролита, а характер и скорость ее изменения – от тока i_ТАБ); R_p – сопротивление, характеризующее процесс саморазряда аккумуляторов и зависящее от времени разряда, температуры электролита и срока службы аккумуляторов. Пользоваться такой схемой весьма трудно, но на ее основании можно определить расчетную схему замещения батареи для каждого характерного режима разряда.

Электродвижущаяся сила ТАБ большинства известных электрохимических аккумуляторов не зависит от температуры электролита и окружающей среды и за время полного разряда батареи снижается на 10…15 % от начальной величины.

Значением R₀ в ряде случаев можно пренебречь ввиду его малости ( Ом на элемент). Однако, если сопротивление нагрузки соизмеримо или меньше R₀, этот параметр необходимо учитывать, так как он в большой мере обусловливает КПД разряда и заряда аккумуляторов. Для всех типов ТАБ сопротивление R₀ увеличивается с возрастанием степени разряженности батареи и снижением температуры электролита.

В импульсном режиме ТАБ пульсация ее выходного напряжения определяет полное внутреннее сопротивление, модуль которого

,

где , и – активное, индуктивное и емкостное сопротивления ТАБ.

Индуктивное сопротивление обусловлено геометрией ТАБ и пространственной ориентацией токопроводящих элементов, образующих контуры с индуктивностью 0,2…1 мкГн на один элемент. Емкостное сопротивление определяется процессами поляризации электролита. Падение напряжения на сопротивлении называется ЭДС поляризации, составляющей 3…10 % от Е_ТАБ. Время полного установления ЭДС поляризации достигает нескольких десятков секунд. Однако практически при токах ТАБ свыше 200. А уже через 1 с отклонение ЭДС поляризации от установившегося значения не превышает 3…5 %.

Следует учитывать явление непрерывного саморазряда ТАБ, происходящего вследствие выделения кислорода на положительном электроде и из за конечного значения сопротивления изоляции. За первые сутки хранения в заряженном состоянии при температуре окружающей среды 20 °С за счет саморазряда запасенная энергия ТАБ уменьшается приблизительно на 5 %. При дальнейшем хранении скорость саморазряда падает

Для ТАБ наиболее важными являются внешние характеристики при различных значениях степени заряженности Q (рис.4.2). Эти характеристики конкретного типа ТАБ не зависят от режима разряда. Энергия, отдаваемая ТАБ, напротив, обусловлена режимами разряда.

Она в общем случае определяется согласно

, а при –

Отношение полезной энергии , отданной батареей за время ее полного разряда, к начальному запасу энергии есть КПД разряда ТАБ:

,

где – потери энергии на внутреннем сопротивлении батареи.

Поскольку при любом разрядном токе степень заряженности аккумуляторной батареи с течением времени падает, то внешние характеристики ТАБ целесообразно давать в пространственной системе координат (см. рис. 4.3).

Полезная мощность батареи является функцией разрядного тока и формы его кривой, степени разряженности, температуры электролита и определяется выражением

. (4.1)

На рис. 4.4 представлены зависимости при различной степени заряженности для ТАБ типа 72ЭЖНТ-160У2.Дифференцируя (1.1) и приравнивая результат нулю, получим предельный максимальный пусковой ток, соответствующий наибольшей мощности

.

Так как по мере разряда батареи уменьшается ЭДС и возрастает внутреннее сопротивление, то максимальный пусковой ток следует вычислять для Q = 20…25 %. Например, для батареи указанного типа максимальный пусковой ток не должен превышать 420 А.

В отличие от ТАБ, позволяющих аккумулировать электрическую энергию для последующей отдачи её потребителю, топливные элементы предназначены только для получения электрической энергии в процессе реакции окисления. Также как и ТАБ батареи топливных элементов (БТЭ) сравниваются по внешним характеристикам U_БТЭ(I_БТЭ). Внешняя характеристика имеет падающий характер, причем значение динамического сопротивления обусловливается удельным расходом реагентов (топлива и окислителя , если это не кислород воздуха) и реализуемой мощностью.

В рабочем диапазоне тока нагрузки внешняя характеристика ЭУ этого типа может быть аппроксимирована уравнением

,

где – напряжение ЭУ при ; – коэффициент жесткости внешней характеристики ЭУ, определяемый динамическим сопротивлением и соответствующий удельному расходу топлива . Указанные характеристики представлены на рис.4.5 кривыми (предельная ) и (частичная ).

Чтобы исключить превышение допустимой нагрузки на единичный элемент БТЭ и вместе с тем обеспечить необходимый диапазон изме­нения тока , применяют последовательно-параллельное переключение элементов или их групп. Тогда, если ЭУ содержит всего п элементов, то внешние характеристики и (рис.4.5) соответствуют их последовательному соединению: , характеристики (предельная, ) и (частичная, ) – параллельному соединению элементов в т ветвей с п/т последовательно включенными элементами в каждой ветви: .

На рис.4.6 представлены зависимости энергоустановки с топливными элементами. Здесь кривые , соответствуют характеристикам , на рис.4.4; прямые и суть ограничения мощности в функции , , . При переключении элементов с последовательного на параллельное соединение кривые , (рис.4.5) соответствуют внешним характеристикам , (см. рис.4.4).

Функциональная связь в БТЭ между параметрами , , t для случаев и в трехмерном пространстве состояний изображается (рис. 4.7) поверхностями и .

Таким образом, внешние характеристики БТЭ – и зависимости варьируют только с изменением параметров управления, а именно: (или ), п, т в интервале токов нагрузки в течение времени все ограничения внешних характеристик остаются неизменными, т.е. они инвариантны количеству запасенной или израсходованной энергии.

Внешняя характеристика комбинированной энергоустановки (КЭУ) сочетанием источников энергии, когда используют два различных типа ТАБ, обусловлена их свойствами и представляет собой нелинейную функцию нагрузки ТЭД и времени работы привода в режимах тяги и рекуперативного торможения. Поэтому определяющим критерием при оценке подобной энергоустановки остается обеспечение максимального пробега электромобиля при наиболее рациональном использовании запасенной энергии.

В КЭУ со вторым сочетанием источников, где пусковой источник – ТАБ, а тяговый – теплоэлектрический преобразователь (ТЭП), аккумуляторная батарея работает непродолжительное время, имеет сравнительно небольшой запас энергии и обеспечивает в основном требуемую динамику разгона электромобиля, а его общий пробег за транспортный цикл осуществляется за счет энергии ТЭП, у которого способы пополнения запаса энергии (топлива) и влияние режимов на внешние характеристики не являются определяющими показателями. Иначе: внешние характеристики КЭУ обусловлены как типом применяемых источников и их режимами в течение транспортного цикла электромобиля, так и соответствующим сочетанием свойств и характеристик каждого из них.

Внешние характеристики двух указанных типов КЭУ приведены на рис. 4.8 и 4.9 (для упрощения характеристики ТАБ показаны линейными).

На рис. 4.10 и 4.11 внешние характеристики ТАБ и КЭУ показаны для моментов начала и к онца цикла. В рабочем интервале токов характеристики пускового источника и ; тяговых источников: аккумулятора и , теплоэлектрического преобразователя . При выборе пускового источника следует обеспечивать выполнение условия . Запас по току () должен быть таким, чтобы при пуске электромобиля на зажимах КЭУ было необходимое напряжение , соответствующее ординатам точек (рис. 4.8 и 4.9). Тогда внешние характеристики КЭУ суть кривые , в момент и кривые , в момент .

На рис. 4.8 и 4.9 приведены также зависимости Р_эу(I_эу), соответствующие началу и концу транспортного цикла.

В СТПЭ с КЭУ источники энергии могут питать ТЭД одновременно или поочерёдно. При одновременной работе (рис. 4.10 а) один из источников энергии (здесь ТЭП) функционирует непрерывно при постоянной мощности генератора . Требуемая в течение времени пуска и разгона максимальная мощность достигается суммированием мощности и разрядной мощности аккумуляторной батареи , обеспечивая энергию расходуемую на разгон подвижного состава до установившейся скорости . По окончании разгона в момент времени ТАБ отключают; поддержание постоянной скорости движения в течение времени осуществляется за счет части мощности генератора , обусловливая расход энергии . В момент подвижного состава переводят в режим выбега в течение времени . Далее за время идет процесс торможения. Энергия , которую дает генератор, расходуется на подзаряд батареи: за время – за счет мощности , а за время , – за счет мощности .

При поочерёдной работе источников (рис. 4.10 б) в течение времени работает только ТАБ и при достижении скорости включают второй источник, а батарею отключают. Мощность за время расходуется как на поддержание заданной скорости, так и на подзаряд ТАБ, а за время — только на восстановление запаса энергии батареи.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: