Перспективы развития стартер-генераторов для промышленных транспортных средств

В настоящее время большое внимание уделяется массогабаритным показателям электрооборудования транспортных средств. Одним из возможных путей улучшения массогабаритных показателей можно признать попытку совмещения в одном электротехническом комплексе функций стартера и генератора в транспортных средствах среднего диапазона мощностей (тракторы и т. д.). Однако при этом следует учесть те возможные ограничения и трудности, которые могут встретиться при реализации этой идеи.

Возможности существующего силового электрооборудования

Аккумуляторная батарея (АКБ) на транспортных средствах обеспечивает электроснабжение электростартера при пуске двигателя, а также электроснабжение других потребителей электроэнергии на автомобиле и тракторе при неработающем генераторе или его недостаточной мощности. Как указывают авторы [1–5], емкость АКБ, используемых в промышленных транспортных средствах, лежит в диапазоне от 120 до 1550 А·ч при номинальном значении напряжения 14 В или 28 В. Еще в прошлом веке основным потребителем энергии аккумуляторной батареи являлся электростартер, однако в настоящее время в связи с активным развитием полупроводниковой техники источников потребления электроэнергии автономного источника питания стало значительно больше. Также стоит отметить, что сфера применения промышленных транспортных средств расширяется в сторону тяжелых условий работы (Крайний Север, Арктика), и в данном случае АКБ традиционного типа не всегда могут обеспечить необходимый рабочий диапазон.

Как правило, мощность батареи должна быть соизмерима с мощностью, развиваемой стартером, но при этом необходимо обеспечивать стабильное напряжение питания бортовой сети, однако при работе в условиях низких температур мощность АКБ приходится завышать, что неумолимо приводит к увеличению массогабаритных параметров. Таким образом, ставится задача применения промышленных транспортных средств в тяжелых условиях работы без завышения габаритов автономного источника питания, существенного изменения конструкции электрооборудования, а также без использования специальных материалов.

Стартерные электрические двигатели должны обеспечить [1–4] необходимую пусковую частоту вращения (100–150 об/мин) и величину момента сопротивления прокрутки при запуске ДВС (от 70 до 700 Н·м). Как правило, мощность стартерных электрических машин, установленных на промышленных транспортных средствах, лежит в диапазоне от 1 до 10 кВт. На большинстве тракто- ров в роли стартерной электрической машины чаще всего встречаются машины постоянного тока со смешанным и последовательным возбуждением. Такие схемы электростартеров используются достаточно давно и не всегда справляются со своими задачами.

Генераторные электрические машины являются основным источником электроэнергии в системе электроснабжения автотранспорта. Как правило, мощность генераторов, используемых на промышленных транспортных средствах, лежит в диапазоне от 100 до 1000 Вт и необходима для электроснабжения электронной системы впрыскивания топлива, системы зажигания, информационно-измерительной системы, габаритных огней и фонарей освещения номерного знака. Чаще всего в роли генератора на транспортных средствах выступают электрические машины переменного тока, а именно – вентильные синхронные генераторы [3, 6–9].

На сегодняшний день мощность генераторов существенно меньше, чем стартеров, но она растет, так как увеличивается перечень потребителей промышленных транспортных средств, требующих электроэнергии; увеличение генерируемой мощности, к примеру, до 30 кВт, позволит перейти на принципиально новый уровень электрификации промышленных транспортных средств.

Вопрос объединения стартерных и генераторных электрических машин встает довольно часто, однако устаревшее электрооборудование не позволяет реализовать данную задачу. Стоит отметить, что характеристики генераторных электрических машин резко отличаются от стартерных, что является основной сложностью при попытке объединить в одной электрической машине функции двух устройств без завышения массогабаритных параметров. На этот счет полезно обратить особое внимание на публикации последних лет.

Ряд авторов [10–13] предлагают решение данной задачи на базе асинхронных и синхронных электрических двигателей. Также широкое применение нашли двигатели с постоянными магнитами, так как они имеют очевидные преимущества по массогабаритным параметрам [6, 7, 10–13]. Предложенные варианты более подходят к сельскохозяйственным типам тракторов, которые имеют щадящий режим работы, а вот для промышленных тракторов данные решения не всегда годятся, так как условия работы существенно отличаются, соответственно и предъявляемые требования к электрооборудованию жестче.

Обзор существующей литературы, посвященной разработке стартер-генераторов для транспортных средств, показал, что основным типом электрической машины, применяемой в роли стар-тер-генератора, авторы видят вентильные электрические машины [13–18]. Очевидно, что вентильные двигатели имеют преимущества в сопостав- лении с синхронными с постоянными магнитами или асинхронными с короткозамкнутым ротором. К примеру, синхронные с постоянными магнитами имеют довольно высокую стоимость, а асинхронные двигатели не в состоянии обеспечить удовлетворительный уровень регулировочных и энергетических характеристик.

Также авторы отмечают, что в настоящее время перспективно применение на транспортных средствах интегрированных стартер-генераторов, которые непосредственно устанавливаются на коленчатый вал ДВС. Авторы отмечают, что наилучшие технические, эксплуатационные и экономические показатели в этом случае достигаются, если встроенная электрическая машина будет выполнять роль как генератора, так и стартера за счет работы системы управления [6, 7, 14–16].

Как показывает практика, в настоящее время является актуальным вопрос разработки стартер-генератора для промышленных транспортных средств, который бы позволил обеспечить надежный пуск ДВС не только в нормальных, но и тяжелых условиях, давал необходимое количество электроэнергии в режиме генератора, не требовал использования дорогостоящих и не пригодных для ремонта материалов.

Возможность реализации стартер-генератора

На транспортных средствах имеются две электрические машины (стартер и генератор) приблизительно одинаковой мощности, но с совершенно различными механическими и электромеханическими характеристиками: стартеру требуются относительно малые скорости при очень больших моментах, а генератору – сравнительно малые моменты при высоких скоростях. При этом ^п г тах    М ст тах                          1

отношения----и-----могут достигать 10:1 и псттах   Мртах выше. Здесь пгтах и псттах - максимальные значения угловой скорости генератора и стартера; Мсттах и Мгтах — максимальные значения момента на валу стартера и генератора. Другими словами, даже при близких значениях мощности на валу у них резко отличаются предельные значения скорости и момента.

Поставленная задача реализации стартер-генератора в рамках однопоточного электропривода, как показывает приведенные обзор научнотехнической информации, удовлетворительно не решена. По этой причине следует рассмотреть многосвязные системы электропривода, которые хотя и сложнее, но обладают большими возможностями. Здесь в первую очередь необходимо указать на дифференциальные электроприводы [19–23], многопоточность в которых достигается применением планетарных механизмов [24–30], которые применительно нашему случаю имеют следующие преимущества:

Электромеханические системы

– крутящий момент от приводного механизма передается параллельно на основные звенья (солнечную шестерню, эпицикл, водило) одновременно через несколько полюсов зацепления, благодаря чему значительно повышается износостойкость и надежность механизма, а также отсутствуют радиальные усилия на подшипники;

– шестерни редуктора находятся в постоянном зацеплении независимо от режима работы электрического привода, а переключение передаточного числа редуктора производится элементами трения (фрикционными муфтами и тормозами), что исключает ударные нагрузки;

– предлагаемый тип планетарного дифференциального редуктора давно освоен отечественной промышленностью и успешно применяется, например, на тяжелых промышленных тракторах [25, 26].

Эти преимущества позволяют разрешить главную трудность совмещения стартера и генератора в одной электроустановке – резкое несовпадение их механических характеристик, поэтому попытку решить поставленную задачу упрощения кинематических связей применением планетарного дифференциального редуктора следует считать актуальной и полезной.

Электрическая машинадля стартер-генератора

На наш взгляд, наиболее перспективным типом электрических машин для стартер-генератора являются синхронные реактивные двигатели с независимым возбуждением (СРДНВ). Принцип работы данного типа двигателей описан в ряде работ [31, 32]. Наиболее глубоко СРДНВ представлен в [33], где даны математические модели электропривода, обращается внимание на отличительные признаки, позволяющие добиться особенно высоких результатов в показателях регулирования и энергетике, теоретические выводы подкреплены экспериментами, предложены алгоритмы управления и типовые структуры электропривода.

Предлагаемый электрический двигатель имеет следующие преимущества :

– повышенную надежность , что обусловлено полным отсутствием обмоток на роторе, большой радиальной механической жесткостью ротора и отсутствием коллектора или колец ротора;

– большие (до 10 крат) перегрузки по моменту, что обусловлено естественным влиянием подавления реакции якоря при насыщении магнитопровода машины [31–34];

– повышенную живучесть машины. Например, при числе фаз, равном 6 (наиболее часто употребляемый вариант при желании выполнить СРДНВ в корпусе серийного асинхронного двигателя), сохраняется работоспособность при отключении одной, двух и даже трех фазных обмоток;

– технологичность изготовления (простая однослойная обмотка статора с полным шагом; сокращение числа технологических операций даже по сравнению с асинхронным двигателем; исключается использование дефицитных материалов, например, редкоземельных металлов);

– простую систему управления преобразователем из-за пониженных требований в форме тока статора;

– малую электромагнитную и механическую инерцию при управлении по каналам якоря и возбуждения;

– очень высокие , значительно превышающие номинальные значения угловые скорости электрического двигателя (если это требуется по условиям работы электрического привода) благодаря большой механической прочности ротора.

Все вышесказанное подводит к тому, что имеет смысл реализация стартер-генератора на базе дифференциального электропривода с синхронной реактивной машиной независимого возбуждения.

Выводы

Проведя анализ работ, посвященных проектированию и внедрению стартер-генераторов на автономных объектах, можно заключить, что данное направление является актуальным и изложенные выше предположения о возможности совмещения стартера и генератора на промышленных транспортных средствах вполне реализуемо.

Большие возможности, на наш взгляд, заложены в разработке стартер-генератора на базе дифференциального электропривода. Правда, слабая кооперация между предприятиями машиностроительного и электротехнического профиля затрудняет успешное решение поставленной задачи в короткие сроки.