Электрический конденсатор с механическим энергоносителем

Нагрузка ряда транспортнотехнологических машин, таких как бульдозеры, экскаваторы и др. имеет существенно неравномерный характер [1]. Мощность их силовой установки определяется пиковой нагрузкой. Очевидно, что при импульсной нагрузке силовая установка большую часть времени работает в недогруженном режиме.

Целью работы является разработка технического решения по компенсации пиковых нагрузок транспортно-технологических машин с возможностью автоматического управления.

Актуальность настоящего исследования обусловлена тем, что использование нако-

пителя энергии позволит сгладить нагрузку на силовую установку и за счет этого снизить ее мощность и массогабариты. Относительно частая смена режима работы транспортно-технологической машины обусловливает эффективность и целесообразность оснащения ее накопителем энергии.

Математическая модель

Рассматривается инертно-емкостной накопитель энергии, в качестве которого можно использовать машину постоянного тока (или вентильную) с супермаховиком.

Подача на якорную обмотку постоянного напряжения U инициирует следующие механический и электрический процессы:

Jd ° ■ kd' '   B 2 lw^Di

dt2     dt         2

B 2lwDd ^ + Ri = U

I         2 dt где J - суммарный момент инерции; k - коэффициент трения; B - магнитная индукция; 21 - активная длина проводника; w - количество витков; D - эффективный диаметр ротора; R - электрическое сопротивление [2-4].

Можно ввести параметрический коэффициент

BlwD = Y ,

Пусть начальные условия

ф(0) — Ф0,

d Ф/m — (0) = ®.

dt

Из уравнения электрического равновесия следует

d ф dt

^-

RU

—i +—, YY

d 2ф_ Rdi

dt ²

Y dt

.

Подстановка в первое уравнение системы дает

—

JR di  kR   kU

----1 +----— Yi,

Y dt   Y    Y

di ( Y ²   k 1 L

— + — + — i — —

di

dt

JR

Тогда

kU

JR

.

Пусть

Y

k    kU

— + —— A,--— B.

JR J    JR

di

—+ Ai — B . dt

Общим решением является

• •     /—г  — At

i — C_xe    .

Частным –

i 2 — C 2 .

Подстановка его в формулу (4) дает

• 0 + AC — B, C — B.

2        2 _A

Искомый ток равен

,  •            - At

i — i +1^ — C^e

B

+—. A

С учетом (2) и (3)

i (0) — U - Y^o

RR

С учетом (5)

.

C — U

1 _R

i —

Y ®0

R

Y ^0

R

B

—

.

A

e

At

B

+—. A

U - Yго0

R

e "t1 T

U

+--77-----—Y 7 k + R

U - E_o   U

—

R    R_k + R

U

e t'T +---------,

Rk + R

где E 0 = Y to ₀.

11   1    1      1

T = R J/Y2 + Jk " R J/Y2 +( J/Y2)(Y2/к)

При к = 0  Rk = да и

RC J   R k C J

=--1--.

т т em

• U - E.

i = ------⁰ e

. - t[ т

R

RJ

T = —

Y2

= RCj.

Формулы (8) и (9) неотличимы от формул, описывающих заряд конденсатора. При замыкании накоротко клемм якорной обмотки i = _EL e -'/'.

R

Эта формула неотличима от формулы, описывающей разряд конденсатора.

Результаты

Выражения (6) – (9) свидетельствуют о емкостном характере рассматриваемого накопителя мощности.

Искусственная электрическая емкость накопителя [5–9] равна

J

C J    y² .

Электромеханическое сопротивление

_R = Y 2 k_k

Запасаемая накопителем энергия равна

CU2  JU2  J to2

W = —--=--7 =--

2    2Y 2    2

На рис. 1 изображена электрическая схема инертно-емкостного накопителя, на рис. 2 – характер тока при его зарядке и разрядке.

Рис. 1. Электрическая схема инертно-емкостного накопителя

Рис. 2. Характер тока при зарядке и разрядке инертно-емкостного накопителя

Таким образом, предложенное устройство представляет собой электрический конденсатор с механическим энергоносителем.

Заключение. В настоящее время созданы высокоэффективные супермаховики, и даже рассматривается возможность применение их на легковых автомобилях. Очевидно, что использование маховиков на транспортно-технологических машинах, таких как бульдозеры, экскаваторы и др. значительно менее проблематично в

силу существенно менее жестких требований к общему весу.

Еще более выгодным преимуществом некоторых транспортно-технологических машин является наличие электромеханической трансмиссии (или возможности ее установки), что минимизирует разработку для них рассмотренного инертноемкостного накопителя (искусственного электрического конденсатора) и доставляет возможность автоматического управления [10] путем изменения параметров B и R .