Перспективы применения единой энергетической установки в мобильных образцах вооружения
«Наука и военная безопасность». №3/2004 г., с.28-31
Перспективы применения единой энергетической установки в мобильных образцах вооружения
Полковник А.Н. МАЛАШИН начальник кафедры электротехники систем электропитания
Военной академии Республики Беларусь,
кандидат технических наук, доцент
Анализ современных военных конфликтов показывает, что в условиях использования высокоточных средств поражения резко возрастают требования к таким свойствам военной техники (ВТ), как скрытность, мобильность, живучесть и экономичность. В наибольшей мере это касается энергоемких и традиционно малоподвижных систем типа: радиолокационные станции (РЛС), автоматизированные системы управления командных пунктов (АСУ КП), зенитные ракетные комплексы (ЗРК) и так далее
Традиционно при разработке и модернизации вооружения больше внимание уделяется совершенствованию информационных процессов и огневых возможностей техники, тогда как энергетические процессы, протекающие в образцах вооружения (ОВ), практически не исследованы. Рассмотрим возможности структурной оптимизации энергосистемы ОВ за счет учета особенностей энергетических процессов, происходящих в ней.
Обобщенная структура энергосистемы (ЭС) мобильного ОВ типа радиоэлектронное средство (РЭС) показана на рисунке 1.
Как видим, у существующих ОВ она разделена на ЭС шасси («базы») и ЭС функционального оборудования. Основными элементами энергосистемы базы являются силовая установка (двигатели) и силовая передача (трансмиссия). Главными элементами ЭС функционального оборудования являются двигатель-генераторные установки и линии электропередачи. Причем в ЭС «базы» преобразуется преимущественно механическая энергия, а в ЭС вооружения - электрическая энергия.
На рисунке 2 приведены графики нагрузки силовых установок шасси и функциональной аппаратуры. Из них видно, что максимумы потребления мощности движителями и функциональным оборудованием разнесены во времени, поскольку в моменты движения с использованием максимальной механической мощности (преодоление преград и тому подобное) боевая работа не ведется, и, наоборот, в период интенсивного использования электрической энергии техника не совершает маневра. Поэтому появляется возможность использования общей силовой установки с мощностью, меньшей суммарной мощности установок базы и функционального оборудования. При рациональном объединении такая энергосистема обеспечит требуемую энерговооруженность мобильному образцу вооружения (MOB) по механической и электрической мощности.
Проанализируем возможности по созданию единой энергосистемы (ЕЭС) шасси и функциональной аппаратуры ОВ на основе общей энергетической установки, выдающей по мере необходимости механическую или электрическую энергию (рис.3). Результатом объединения должно стать снижение массы и габаритов ЕЭС, повышение ее экономичности. В свою очередь это позволит улучшить показатели мобильности ВТ, такие как проходимость, средняя скорость при совершении маневра, экономичность при движении в сложных дорожных условиях и во время боевой работы, время автономной работы MOB, время развертывания (свертывания).
Реализация положительных качеств единой силовой установки в наиболее полной мере достигается в случае использования электромеханической трансмиссии в ЭС шасси.
Разработки электромеханической трансмиссии интенсивно велись в 1970-х - 1980-х годах, в том числе и в нашей республике. Их итогом явилось создание электрической трансмиссии на базе электрических машин постоянного тока для автомобилей БелАЗ. Тогда же был сделан верный для того уровня развития электротехнических устройств и приводных двигателей вывод о целесообразности использования электромеханической силовой передачи при мощности силовой установки более 600 - 800 кВт [1]. Основными недостатками электромеханических передач того времени были значительные габариты и вес (20 - 25 кг/кВт) при большой доле меди в этом весе, малый КПД (70 - 80%) в оптимальном режиме, снижающийся при регулировании, недостаточный диапазон регулирования (2.5-3). Вместе с тем отмечалось, что по отношению к многоприводным схемам электрическая трансмиссия мало уступает по удельной массе механической трансмиссии [2].
Основными достоинствами электромеханической трансмиссии являются: бесступенчатая и безразрывная передача энергии к ведущим колесам, возможность полного использования мощности двигателя при трогании, высокая долговечность ее узлов и малые эксплуатационные затраты, упрощение устройств торможения и систем АБС. Поэтому исследованием возможностей электрических трансмиссий занимались и в последующие годы, хотя и с меньшей интенсивностью. Фактически анализировались две основные схемы полноприводных электромеханических трансмиссий, показанные на рис. 4.
Схема с индивидуальным приводом к каждому мотор-колесу (рис. 4а) сложнее, однако позволяет индивидуально управлять величиной момента и скоростью каждого колеса и, таким образом, полностью реализовывать сцепные свойства автомобиля в сложных условиях движения. Кроме того, она дает большую свободу в разработке компоновки автомобиля. Схема с приводом на каждый мост (рис. 4б) позволяет в значительной мере задействовать традиционные конструкторские решения. Ее недостатки - это неполное использование возможностей электромеханической трансмиссии по индивидуальному управлению моментом всех колес, что ограничивает проходимость автомобиля. Поэтому для MOB первая схема предпочтительнее.
В последнее время в ведущих странах-автопроизводителях (США, Япония, Россия) усиленно ведутся разработки гибридных силовых установок. При этом изучаются возможности двух основных схем: параллельной и последовательной (рис. 5) [3, 4].
В параллельной схеме (рис.5а) механическая и электрическая трансмиссии применяются. совместно. Для этого электродвигатель использует энергию накопительной установки, В качестве которой используются высокоемкостные конденсаторы или аккумуляторные батареи. Крутящие моменты от обоих типов двигателей подводятся к ведущим колесам через согласующий редуктор одновременно либо по отдельности. Редуктор представляет собой механический коммутатор потоков мощности. Поэтому возможна передача энергии во всех направлениях. В последовательной схеме (рис. 5б) двигатель подключен к генератору (Ген.), параллельно с которым включена накопительная установка (НУ). Энергия от них поступает на электродвигатели (ЭД) ведущих колес. Как и в параллельной схеме, направление потоков мощности может быть произвольным и определяется режимом движения. Теоретически обе схемы с гибридным приводом позволяют реализовать наиболее экономичный режим работы двигателя независимо от условий движения. Увеличение экономичности достигается за счет выравнивания графика нагрузки двигателя (рис.2) в реальных условиях движения и частичной либо полной рекуперацией кинетической энергии поступательно движущейся массы. Результаты практических испытаний подтверждают этот вывод. Так, расход топлива в автомобилях с гибридной установкой снижается более чем в два раза по сравнению с моделями-прототипами [5].
С точки зрения применения в шасси MOB, гибридная последовательная схема оказывается предпочтительнее по следующим соображениям. В параллельной схеме сохраняется механическая трансмиссия, которая является достаточно сложной и материалоемкой в полноприводных автомобилях. Полные бесступенчатость и использование первичного двигателя по мощности при пуске, а также сцепных свойств не обеспечиваются. Поэтому проходимость ВТ сохраняется на прежнем уровне. Компоновочные решения ограничиваются механической трансмиссией. Кроме этого, возможности отбора мощности для работы функционального оборудования в движении и на стоянке, что весьма важно для ВТ, остаются ограниченными. В последовательной схеме, которая, как видим, является дальнейшим совершенствованием ранних вариантов электрической трансмиссии, сохраняются все ее
преимущества и дополнительно увеличивается экономичность работы. Поэтому параллельная схема гибридной установки может быть выгодна для использования в малолитражных автомобилях с ограниченной проходимостью. В полноприводной технике ОВ целесообразно использовать электромеханическую трансмиссию с электрическим приводом на все ведущие колеса и накопительной установкой в электрической сети.
В качестве базы для ВТ сейчас используются полноприводные автомобили высокой проходимости, специальные колесные и гусеничные машины, а также мощные тягачи и длиннобазные шасси. Их силовая установка выполнена в виде мощного, форсированного и неэкономичного тягового двигателя, а силовая передача - в виде механической и гидромеханической трансмиссий. При переходе к электромеханической трансмиссии логичным требованием будет обеспечение ею основных показателей шасси, не худших, чем с трансмиссией традиционного вида. Для этого энергосистема в целом (система двигатель - трансмиссия) должна иметь массу, сравнимую с массой традиционной энергосистемы при лучшем КПД в заданных условиях эксплуатации. Снижение стоимости производства и эксплуатации электромеханической трансмиссии должно достигаться уменьшением количества применяемых дефицитных цветных металлов и повышенной надежностью ее узлов.
Для обеспечения экономичного режима работы при ограниченных массе и габаритах предлагается вариант единой ЭС (ЕЭС) MOB, показанный на рис. 6.
В нем силовая установка состоит из нескольких двигателей, работающих на общую сеть параллельно с накопителем энергии. Далее электроэнергия поступает либо на привод мотор-колес, либо для электропитания функционального оборудования ВТ. Выполнение установки многодвигательной, кроме повышения надежности и живучести, позволяет решить ряд задач. Так, удельная мощность двигателей меньшего размера выше (из-за больших возможностей форсирования), это позволяет снизить массу силовой установки примерно на 50% [6]. Многодвигательная установка с электрической трансмиссией дает возможность применить параллельную работу двигателей разных типов (например, совместная работа экономичного дизельного двигателя в режиме частичной нагрузки с подключением малогабаритного газотурбинного двигателя при пиковой нагрузке). Это также способствует уменьшению полной массы ЭС при сохранении установленной мощности. Практически снимается проблема запуска мощных силовых установок MOB в условиях низких температур и отпадает необходимость в громоздких дублирующих системах запуска. Сокращение частотного и нагрузочного диапазонов работы отдельного двигателя улучшает его КПД. Уменьшаются до минимума или даже нулевого значения потери холостого хода из-за его обеспечения одним двигателем или накопителем энергии. Таким образом, предложенная установка получается энерго- и ресурсосберегающей.
Выбор типа двигателей в ЕЭС определяется несколькими факторами: экономичностью, массой и габаритами, а также временем работы в заданных графиком нагрузки (рис. 2) условиях эксплуатации. Наиболее экономичные модели двигателей целесообразно использовать на нижнем уровне мощности (составляющем 80 - 90% времени графика нагрузки). Двигатели с наименьшими габаритами, но малой экономичностью целесообразно применять для покрытия пиковых нагрузок (до 10-15% времени типичного графика нагрузки). В остальное время совместно с базовыми целесообразно применять двигатели средней экономичности, умеренных габаритов и массы.
Важное значение в схеме единой энергоустановки имеет накопитель энергии. От возлагаемых на него задач зависит его потребная емкость, массогабаритные и стоимостные показатели. Наименьшую емкость и стоимость имеет накопитель, решающий задачу запуска и стабилизации работы ЭС в динамических режимах (сброс - наброс нагрузки, подключение - отключение двигатель-генераторных установок). При необходимости обеспечения частичной рекуперации запасаемой в ЭС энергии и частичного покрытия пиковых нагрузок емкость НУ увеличивается. Наибольшую установленную емкость должна иметь НУ, решающая задачи полного покрытия пиковых нагрузок, рекуперации запасаемой энергии (например, при затяжных спусках), а также скрытного движения при маневрировании. Как показывает анализ, накопители значительной емкости, как правило, имеют невысокую удельную преобразуемую мощность и наоборот. Поэтому целесообразно создание накопительной установки, состоящей из накопительных элементов разного типа.
Современные достижения в области электромашиностроения и силовой электроники, а также теории управляемого электромеханического преобразования энергии позволяют решить задачу разработки ЕЭС для MOB. Так, лучшие образцы генераторов и приводных двигателей имеют удельные массы (0.3 - 4) кг/кВт преобразуемой мощности, КПД преобразования при частотном регулировании (0.8-0.98) в диапазоне регулирования (1-50) [7, 8]. В качестве управляющих элементов в преобразователях интересующего диапазона мощностей и напряжений используются силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT-транзисторы) и полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFIT-транзисторы), работающие в ключевом режиме. КПД современных ключевых преобразователей составляет (0.9-0.98), что позволяет выполнять их по бескорпусной технологии без радиаторов [9, 10]. В качестве элементов накопительной установки привлекательными по стоимости и удельной емкости являются инерционные и тепловые накопители. Последние, имея только тепловой аккумулятор, могут использовать в своей работе штатную двигатель-генераторную установку на основе двигателя внешнего сгорания или газотурбинного двигателя [11].
Таким образом, реализация электромеханической трансмиссии с применением передовых достижений в области управляемых электромеханических преобразователей позволяет реализовать бесступенчатую электромеханическую передачу с КПД (0.75-0.85) во всем диапазоне изменения крутящего момента и скоростей вращения при одновременном увеличении экономичности режима работы приводного двигателя. Обеспечение работы приводного двигателя на оптимальных по экономичности режимах, как во время совершения марша, так и в период боевой работы позволит значительно (на 30 - 50%) поднять результирующий КПД энергосистемы ОВ. Габариты электромеханической трансмиссии составят (1.5-5 кг/кВт), что сравнимо с одноприводной механической трансмиссией и гораздо меньше полноприводных схем.
В качестве базовых электрических машин при разработке элементов ЕЭС рассматриваются: синхронные машины с постоянными магнитами, асинхронные машины, синхронные машины индукторного типа. Из числа реализованных к настоящему времени преобразователей машины с постоянными магнитами имеют лучшие показатели по удельной мощности и КПД [12]. Их основным недостатком является высокая стоимость постоянных магнитов. Наиболее перспективны с точки зрения стоимости индукторные машины (в них основная часть массы приходится на сталь), повышение числа полюсов таких машин способно обеспечить им удельную преобразуемую мощность, сравнимую с магнитоэлектрическими ЭМ [13]. Дополнительным достоинством таких машин является безобмоточный ротор, что увеличивает возможности по рациональной компоновке и охлаждению, способствует повышению надежности. Основной недостаток индукторных машин - это сложная и неотработанная к настоящему времени процедура проектирования перспективных высокоэкономичных моделей. Наиболее отлаженные конструктивные схемы имеют традиционные синхронные генераторы и асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Однако это так называемые "медные" машины, имеющие высокую стоимость. Повышения, удельной преобразуемой мощности в традиционных типах ЭМ можно добиться на счет их многофазного исполнения [14].
Таким образом, проведенный анализ показывает, что на сегодняшний день существуют технические возможности разработки ЕЭС для MOB на базе многодвигательной электромеханической полноприводной трансмиссии шасси. Использование такой энергосистемы позволит повысить мобильность вооружения, его экономичность и упростит эксплуатацию. Процесс создания ЕЭС требует решения целого ряда научно-технических задач. Это:
- разработка комплекса экономико-математических и имитационных моделей многодвигательной ЭС для получения информации о параметрах элементов ЭС и отработки алгоритмов управления ЭС;
- модернизация приводных двигателей в соответствии с требованиями, налагаемыми структурой энергосистемы;
- разработка накопительной установки и схем управления ею;
- разработка и проектирование электрических машин (двигателей и генераторов) совместно с их регуляторами ключевого типа.
Необходимо отметить, что только при комплексном подходе к решению очерченного круга вопросов можно ожидать получения нужного результата. Использование типовых технических решений без их адаптации к конкретным условиям использования в ЕЭС не даст желаемого эффекта [15]. Так, например, в ЭС ограниченной мощности важное значение имеет проблема согласования по мгновенной мощности устройств, производящих и потребляющих энергию. Неучет этого фактора способен привести к возрастанию (в разы) массы и габаритов ЕЭС при одновременном снижении КПД установки.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Автомобили: Машины большой единичной мощности. /Под ред. М.С. Высоцкого, A.M. Гришкевича. - Мн.: Высш. шк., 1988 г. - 160 с.
2. Армейские автомобили. Конструирование и расчет. Часть первая. Типы автомобилей, компоновка, силовые передачи. / Под ред. А.С. Антонова. - М.: Воен. изд. МО СССР, 1970 г. - 544 с.
3. Нарбут А.Н., Мухитдинов А.А. Система "двигатель - трансмиссия". Ступени развития. //Автомобильная промышленность. - 2001. -№4.- С. 13-14.
4. Кузнецов В.А., Дьяков И.Ф. Электромобиль с гибридной системой привода. //Автомобильная промышленность. - 2001. - № 4. - С. 9 - 10.
5. Кондрашкин А.С, Филькин Н.М., Мерзин ВТ., Сальников В.Ю. Легковой автомобиль с гибридной силовой установкой. Результаты экспериментов. //Автомобильная промышленность. - 2001. - № 11. - С. 9- 10.
6. Двигатели армейских машин. Часть вторая. Конструкция и расчет. / Под ред. П.М. Белова. - М.: Воен. изд. МО СССР, 1971 г. - 568 с.
7. Гаинцев Ю.В. Еще раз о вентильно-индукторном электроприводе. //Электротехника. - 1998. - №6. -С.25 - 27.
8. Григораш О.В. Асинхронные генераторы в системах автономного электроснабжения. //Электротехника. - 2002. - № 1. -С. 30 - 34.
9. Лоренц Л. Состояние и направления дальнейшего развития в сфере разработки, производства и применения силовых полупроводниковых приборов. //Электротехника. - 2001. -М12.-С.2- 16.
10. Вейс М.Э., Голубенко Ю.И., Куксанов Н.К., Кузнецов С.А, Немытое П.И, Салимое Р.А., Фадеев С.Н. Создание серии IGBT преобразователей частоты трансформаторного типа для питания промышленных ускорителей электронов. //Электротехника. - 2001. - № 12. -С. 21- 24.
11. Мацкерле Ю. Автомобиль сегодня и завтра. /Пер. с чешек. - М.: Машиностроение, 1980. - 384 с.
12. Нестерин В.А., Жуков В.П., Тойдеряков А.А. Освоение новых изделий электромеханики на основе высокоэнергетических постоянных магнитов. //Электротехника. - 2001. - № 11. - С. 19 - 21.
13. Жуловян В.В., Шевченко А.Ф. Сравнительный анализ двигателей с электромагнитной редукцией частоты вращения и двигателей с катящимся ротором. //Электротехника. - 1998. - № 4. - С. 1-4.
14. Голиков В.Ф., Малашин А.Н. Анализ особенностей рабочего процесса в многофазном "выпрямительном" генераторе на основе одномерных уравнений электромагнитного поля. //Энергетика. - 1993. - № 9 - 10. - С. 39 - 43.
15. Титков A.M. Об АТС с комбинированными энергоустановками. //Автомобильная промышленность. - 2004 - № 3. - С. 5 - 7.
