На правах рукописи Сысолятин Виктор Юрьевич ЦИФРОВЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ КОНТРОЛЯ
реклама
На правах рукописи Сысолятин Виктор Юрьевич ЦИФРОВЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ КОНТРОЛЯ КОЛИЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА ПРИ ПРОТЕКАНИИ ТОКА В ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Омск – 2014 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» на кафедре «Теоретическая и общая электротехника» Научный руководитель: Заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор Попов Анатолий Петрович Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Энергетика» ФГБОУ ВПО «Нижневартовский государственный университет» Сушков Валерий Валентинович Кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Электротехника и электрооборудование» Омского филиала ФГБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» Руппель Александр Александрович Ведущая организация: ФГБОУ ВПО«Донской государственный технический университет» (г. Ростов-наДону) Защита состоится «17» июня 2014 г. в 16-00 часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 212.178.03 в Омском государственном техническом университете по адресу: 644050, Омск, пр. Мира, 11, корпус 6, ауд. 340.Тел./факс: (3812) 65-34-07, e-mail: [email protected]. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета и на сайте организации: www.omgtu.ru. Автореферат разослан «22» апреля 2012 г. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, Ученому секретарю объединенного диссертационного совета ДМ 212.178.03. Ученый секретарь объединенного диссертационного совета ДМ 212.178.03 2 Лысенко О.А. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Широкое применение электрохимических технологии в различных отраслях промышленности обуславливает необходимость непрерывного контроля широкого спектра параметров при протекании технологических процессов, что позволяет обеспечить необходимый для них режим работы, а так же оказывать влияние на экономическую эффективность производства. Например, в гальванотехнике для получения плотных мелкозернистых и равномерных по толщине покрытий необходимо применять специальные условия протекания электролиза. В этом случае контролю подвергаются характеристики, имеющие как электрическую, так и неэлектрическую природу. При соблюдении технологии электрохимического процесса важную роль приобретает контроль электрических характеристик. Так, например, при электрохимическом производстве металлов или газов, а так же в гальваностегии, при осаждении материала на металлические поверхности гальванических покрытий, для управления процессами электролиза возникает потребность в современных автоматических программируемых средствах контроля количества электричества, отданного в нагрузку. Важнейшим разделом применения электрохимических технологии является производство и эксплуатация химических источников тока. В настоящее время широко распространены технические устройства и приборы различного назначения, которые требуют для своей работы применения химических источников тока (ХИТ). При этом следует отметить, что в реальных условиях практически невозможно обеспечить оптимальные эксплуатационные режимы ХИТ, влияющие на их долговечность. В связи с этим становится весьма актуальным обеспечение надежности устройств и приборов с автономными источниками питания, которыми являются ХИТ, что в свою очередь требует создания специализированных средств цифрового контроля электрических характеристик ХИТ, имеющих важное значение для критических условий эксплуатации. Работы в направлении исследования информационно-измерительной техники велись отечественными и зарубежными учеными: академиком П.П. Орнатским, А.П. Альтгаузеном, М.Д. Бершицким, Б.Д. Орловым, А.А. Чакалевым, Л.В. Глебовым, M. Greitmann, A. Kessler. Большой вклад в исследование электрохимических процессов внесли академик РАН Якоби Б.С., Федотьев Н.П., Алабышев А.Ф., Ротинян А.Л., Вячеславов П.М., Животинский П.Б. В направлении развития теории и практики построения средств цифрового дозирования внесли определенный вклад профессор А.П. Попов, А.Ю. Власов. Целью работы является построение цифровых электротехнических комплексов контроля количества электричества в составе систем энергообеспечения с электрохимическими устройствами, позволяющие улучшить их эксплуатационные параметры. 3 Объект исследования - цифровой электротехнический комплекс контроля количества электричества при протекании тока в электрохимических устройствах. Предмет исследования - схемотехника структурных схем, алгоритмы функционирования и программное обеспечение цифровых электротехнических комплексов, моделирование и исследование их работы. Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи: 1. Провести анализ существующих средств контроля количества электричества при различных электротехнических технологиях с целью определения возможности их усовершенствования. Рассмотреть общие вопросы построения цифровых электротехнических комплексов контроля количества электричества при протекании тока в электрохимических устройствах. 2. Обосновать схемотехнику и алгоритм функционирования цифрового электротехнического комплекса контроля количества электричества, основанного на использовании принципа импульсного аналогово-цифрового интегрирования с программным управлением текущего значения аналогового сигнала преобразователя тока. 3. Обосновать схемотехнику и алгоритмы функционирования цифрового электротехнического комплекса управления энергообеспечением электрохимических устройств и контроля количества электричества при реверсировании тока. 4. Сформировать принципы построения цифрового электротехнического комплекса контроля количества электричества при функционировании систем энергообеспечения потребителей бортовой сети транспортных средств с химическими аккумуляторными накопителями и штатными генераторами электрической энергии. 5. Провести математическое моделирование и исследование режимов работы цифрового электротехнического комплекса контроля количества электричества при функционировании систем энергообеспечения потребителей бортовой сети транспортных средств. Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач были использованы методы компьютерного моделирования процессов, базирующихся на теории электрических и магнитных цепей, магнитного поля, компьютерного моделирования функционирования цифровых систем. Основу методологии составляют положения цифровой обработки сигналов, а так же экспериментальных исследований. Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертационной работе, обеспечивается корректным использованием математического аппарата теории электрических и магнитных цепей, современного программного обеспечения (среда разработки CodeVisionAVR), программ симулирования электромагнитных процессов и функционирования цифровых систем (MATLAB, PROTEUS), позволяющих устанавливать работоспособность разрабатываемых управляющих алгоритмов, предлагаемых в работе цифровых комплексов, а так же совпадением результатов 4 компьютерного моделирования и данных, полученных в ходе экспериментальных исследований. Научная новизна результатов диссертационной работы: 1. обоснована возможность построения цифрового комплекса с программным управлением, позволяющего осуществлять контроль баланса количества электричества в цепи ХИТ при его эксплуатации на транспортном объекте в реальном времени, для поддержания оптимального режима эксплуатации; 2. предложен принцип цифрового интегрирования двуполярного аналогового сигнала методом алгебраического суммирования вольт-секундных площадей сигнала при использовании однополярного АЦП; 3. предложен принцип аналогово-цифрового интегрирования текущего значения аналогового сигнала преобразователя тока с программным управлением импульсным интегратором для измерения количества электричества. Практическая значимость работы: 1. предложены структурная схема, алгоритм функционирования и управляющая программа на языке программирования Си цифрового комплекса, которые могут быть использованы при проектировании различных устройств, осуществляющих контроль баланса количества электричества, проходящего через ХИТ, установленных на транспортных и специальных объектах; 2. предложены структурная и принципиальная схемы аналогово-цифрового интегратора, алгоритм его функционирования и управляющая программа на языке Си, которые могут быть использованы при проекти-ровании различных устройств учета и дозирования количества электриче-ства; 3. предложены структурная и принципиальная схемы, алгоритм функционирования и управляющая программа на языке программирования Си комплекса управления электрохимическими процессами и осуществления дозирования количества электричества в условиях реверсирования тока, которые могут быть использованы при проектировании различного технологического, учебного или научного оборудования. Основные положения, выносимые на защиту: 1. Схемотехника, структура, алгоритм функционирования электротехнического комплекса контроля количества электричества, основанного на использовании принципа импульсного аналогово-цифрового интегрирования с программным управлением текущего значения аналогового сигнала преобразователя тока. 2. Схемотехника, структура, алгоритм функционирования цифрового электротехнического комплекса управления энергообеспечением электрохимических устройств и контроля количества электричества при реверсировании тока. 3. Схемотехника, структура, алгоритм функционирования цифрового электротехнического комплекса контроля количества электричества при функционировании систем энергообеспечения потребителей бортовой сети транспортных средств с химическими аккумуляторными накопителями и 5 штатными генераторами электрической энергии с применением принципа цифрового интегрирования двуполярного аналогового сигнала датчика тока при использовании однополярного АЦП. Реализация результатов работы. На предприятии ООО «ОМИКС» (г. Омск) (сфера деятельности: разработка диагностического оборудования для объектов железнодорожного транспорта) при разработке цифрового комплекса контроля баланса количества электричества в системах электроснабжения потребителей для транспортных объектов с аккумуляторными накопителями энергии были использованы предложенные автором структурная схема и управляющая программа. В ФГБОУ ВПО «Омский Государственный Технический Университет» (г. Омск) были использованы разработанные автором алгоритмы управляющих программ при выполнении дипломных проектов. Также для проведения исследований по теме диссертации были разработаны и изготовлены: - опытный образец цифрового электротехнического комплекса контроля количества электричества при разряде ХИТ до определенного уровня напряжения; опытный образец цифрового электротехнического комплекса контроля количества электричества при работе ХИТ в режиме: заряда-пауза-разрядпауза, позволяющий задавать требуемые временные интервалы каждой из фаз; - опытный образец цифрового электротехнического комплекса, позволяющего контролировать количество электричества, энергию, пиковое значения тока и минимального значения напряжения в условиях экстремального режима разряда. Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Омский регион месторождение возможностей» – Омск, 2011 г., общероссийской научнотехнической конференции «Броня 2012» – Омск, 2012 г., а также на научных семинарах кафедры «Теоретическая и общая электротехника» ФГБОУ ВПО «Омский Государственный Технический Университет». Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых изданиях, входящих в Перечень ВАК, получен 1 патент на полезную модель, получены 4 свидетельства о регистрации электронного ресурса. Структура и объем работы.Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 154 наименования, приложений. Основной текст изложен на 156 машинописных страницах, поясняется 39 рисунками и 3 таблицами. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и поставлены задачи исследования, отмечены научная новизна и 6 практическая значимость полученных результатов, представлены структура диссертационной работы и основные положения, выносимые на защиту. В первой главе проведен аналитический обзор существующих средств контроля количества электричествапри протекании тока в электрохимических устройствах, в электротехнологических установках в различных областях электрохимии. Отмечена необходимость совершенствования этих средств путем разработки новых цифровых программируемых электротехнических комплексов, обладающих более расширенными функциональными возможностями, в том числе способных выполнять дозирование количества электричества в различных режимах работы электрохимической системы. В первойглаве рассмотрены также общие вопросы построения цифровых электротехнических комплексов контроля качества функционирования систем энергообеспечения электрохимических устройств с программным управлением. В ходе обзора технологий применяемых в электрохимии, становится очевидным, что одной из основных характеристик электрохимического процесса является текущее значение количества электричества, прошедшее через электрохимическую систему Q(t). При этом для различных процессов ток электролиза может изменяться в широких пределах. В результате анализа современных методов разработки электротехнических устройств, следует вывод о том, что наиболее приемлемым является способ построения цифровой измерительной системы на базе микроконтроллера. Это обусловлено преимуществами, которые имеют микроконтроллеры по сравнению с устройствами, разработанными на аппаратной логике:меньшее энергопотребление; упрощенное решение с точки зрения схемотехники;возможность изменения функциональных возможностей путем редактирования кода программы без доработки аппаратной части. Структурная схема цифровых электротехнических комплексов контроля количества электричества с программным управлением изображена на рис.1. Рис. 1. Структурная схема цифровых электротехнических комплексов контроля количества электричества: 1. Электрохимическая система, являющаяся объектом исследования (ЭХС);2. Измерительный преобразователь, преобразующий текущее значение тока i(t) в аналоговый электрический сигнал u(t);3. Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП);4. Блок обработки сигналов (АЛУ);5. Блок регистрации результата (ЖКИ);6. Исполнительный блок (ИМ);7. Программное обеспечение. 7 Для эффективного использования ресурсов микроконтроллера алгоритм функционирования управляющих программ при осуществлении цифрового интегрирования следует построить таким образом, что бы общее время интегрирования было разбито на отрезки времени ∆tИ (шаги временного интегрирования), в течение которых будут определяться значения приращения количества электричества ∆Qi.Текущее значение Q(i) будет определяться выражением: n Q(i) Qi , (1) i 1 где n – количество временных интервалов времени ∆tИ. При этом определение ∆Qi может осуществляться, как методом квантования, так и методом дискретизации по времени.При использовании метода квантования текущее интегральное значение входного сигнала u(t) заменяется суммой элементарных равных по величине площадок (квантов) ∆Qi =const.При использовании метода дискретизации полное время интегрирования разбивается на равные отрезки времени ∆tИ=const, в течение которых значение ∆Qiопределяется согласно выражению: k Q i s u m t , (2) m 1 где: t –шаг дискретизации; um– дискретное значение сигнала на определенном интервале времени tm ; k=∆tИ /∆t – число выборок на интервале ∆tИ. s- коэффициент преобразования датчика. В этом случае значение Q(i) определяется методом алгебраического суммирования, то есть ∆Qi может входить в выражение (1), как с положительным, так и с отрицательным знаком. Таким образом, в главе 1 проведен анализ существующих средств контроля количества электричества при различных электротехнических технологиях с целью определения возможности их усовершенствования; рассмотрены общие вопросы построения цифровых электротехнических комплексов контроля количества электричества при протекании тока в электрохимических устройствах; определена необходимость проведение исследований по созданию комплекса средств для исследования электрических характеристик при электрохимических процессах; выявлены пути построения алгоритма управляющей программы, основанные на принципе квантования или интегрирования на отрезках времени, в зависимости от характера исследуемого электрохимического процесса. Во второй главе рассмотренорешение задачи контроля количества электричества при протекании тока в электрохимических устройствах с использованием метода квантования интегрального значения сигнала датчика тока по вольт-секундной площади, который по сравнению с дискретным способом обработки сигнала позволяет исключить потери информации при нестационарных режимах, а так же повысить помехоустойчивость измерительной системы. 8 Предложен принцип квантования вольт-секундной площади с использованием микроконтроллерного управления системой импульсного интегрирования сигнала, блок-схема которой изображена на рис.2. Квантование по вольт-секундной площади заключается в замене текущего интегрального значения входного сигнала uд(t) суммой дискретных значений элементарных вольт-секундных квантов, преобразованных в последовательность счетных импульсов, которые при суммировании несут информацию об интегральной величине входного параметра. Алгоритм управляющей программы микроконтроллера обеспечивает: - непрерывное получение дискретных значений выходного напряжения интегратора uвыхi; - сравнение текущего значения uвыхi с пороговыми значениямиUпор, задающими величину кванта q0(в такте заряда интегрирующей емкости Uпор=5В, в такте разряда Uпор=0В); n - суммирование числа квантов вольт-секундной площади q0 при i 1 достижении uвых(t) пороговых значений; - управление контактами аналогового ключа путем выработки управляющего сигнала низкого и высокого уровня на интервалах времени, требуемых для попеременного заряда и разряда интегрирующего конденсатора до пороговых уровней напряжения; n - вывод текущего значения Q (i ) q0 на устройство индикации 11; i 1 - контроль текущего времени интегрирования; n - режим дозирования при достижении q0 заданного значения Q. i 1 Рис.2. Блок схема микроконтроллерной системы аналогово-цифрового импульсного интегрирования текущего аналогового сигнала датчика:1- датчик тока; 2-сумматор; 3инвертор; 4-аналоговый двухканальный ключ; 5- импульсный интегратор; 6- блок переключения сигнала; 7- микроконтроллер; 8- аналогово-цифровой преобразователь; 9алгоритм обработки дискретного значения выходного сигнала интегратора uвых(t); 10счетчик числа квантов q0=∆Qi=const;11интерфейс микроконтроллера; 12жидкокристаллический индикатор. 9 Таким образом, в главе 2 обоснованасхемотехника и алгоритм функционирования цифрового электротехнического комплекса контроля количества электричества, основанного на использовании принципа импульсного аналогово-цифрового интегрирования с программным управлением текущего значения аналогового сигнала преобразователя тока; принцип аналогово-цифрового интегрирования с программным управлением позволяет многократно сократить объем используемых вычислительных ресурсов по сравнению с реализацией алгоритмов, связанных с вычислением количества электричества на участках времени, определяемых частотой дискретизации; благодаря применению программной логики, возникает возможность разработки на базе рассмотренного интегратора ряда унифицированных устройств, предназначенных, как для исследования, так и для управления электрохимическими процессами. Предельная относительная погрешность измерения количества электричества при использовании принципа квантования по вольт-секундной площади составила значение не более 2 %практически при неограниченном времени интегрирования. В третьей главе рассмотрен вопрос построения структурной схемы цифровых электротехнических комплексов контроля количества электричества электрохимических устройств в условиях реверсирования тока на примере системы дозирования количества электричества в режиме заряда-разряда ХИТ(рис.3).Информационную часть комплекса составляют блок управления и измерительный блок, выполненные на основе однотипных AVRмикроконтроллеров МК1 и МК2.Для задания необходимого режима работы ХИТ, определяемой технологией заряда,используется блок управления, который управляет силовыми ключами. Для задания требуемого значения количества электричестваQ, которое должно поступить в ХИТ, а так же контроля текущего значения количества электричества в условиях реверсирования тока используется измерительный блок. Входная информация, необходимая для измерения текущего значения количества электричества, поступает в измерительный блок в виде выходного сигнала датчика тока. При достижении равенства текущего значения количества электричества Q(t), и заранее введенного значения Q измерительный блок вырабатывает сигнал, поступающий на блок управления, который переводит работу ХИТ в режим холостого хода. Таким образом, происходит автоматическое прерывание технологического процесса. Алгоритм управляющей программы микроконтроллера МК1 состоит из трех частей:основной модуль программы, в котором выполняется опрос входов порта В для ввода значений временных интервалов действия фаз (заряд-паузаразряд-пауза);обработчик прерывании таймера_0, с помощью которого осуществляется генерирование прямоугольных импульсов частотой 5 кГц, необходимых для работы цепи управления ключом заряда;обработчик прерывании таймера_1, с помощью которого осуществляется управление работой ключей, а так же контроль общего времени процесса. 10 Рис.3. Структурная схема цифрового электротехническогокомплекса контроля количества электричества электрохимических устройств в условиях реверсирования тока Алгоритм управляющей программы микроконтроллера МК2 обеспечивает: - ввод в память микроконтроллера значение количества электричества Q, которое необходимо сообщить электрохимической системе; - непрерывное получение дискретных значений сигнала датчика тока; - вычисление текущего значения количества электричества, в соответствии с n выражением Q (i ) Qi , i 1 k где Q i s u m t , при этом учитывается m 1 направление тока в ХИТ; - вывод значений Q(i), Q-Q(i), ti на устройство индикации; - режим дозирования при достижении Q(i) заданного значения Q, путем генерирования управляющего сигнала, подаваемого на блок управления системы дозирования. Таким образом, в главе 3 предложена и обоснована схемотехника цифрового электротехнического комплекса контроля количества электричества системы энергообеспечения с электрохимическими устройствами при реверсировании тока; разработан алгоритм управляющей программы для функционирования электротехнического комплекса контроля количества электричества системы энергообеспечения с электрохимическими устройствами при реверсировании тока.Предельная относительная погрешность определения текущего значения количества электричества при реверсировании тока составляет значение не более 1%. В четвертой главерассмотрены вопросы построения электротехнического комплекса контроля качества функционирования системы энергообеспечения потребителей бортовой сети транспортного средства с 11 химическими аккумуляторными накопителями и штатными генераторами электрической энергии. Аккумуляторная батарея, включенная параллельно генераторной установке, работает в режиме циклирования, являясь источником энергии для потребителей бортовой сети объекта в условиях, когда напряжение вырабатываемое генератором ниже номинального. В момент времени, когда частота вращения ротора генератора достигает частоты вращения начала отдачи n1, происходит заряд аккумуляторной батареи, и генератор компенсирует электроэнергию, отданную в период ее разряда. На основе анализа режимов работы ХИТ, установленного на объекте, становятся очевидными некоторые особенности: - возникают три характерных режима работы ХИТ (кратковременный разряд большими токами при электростартерном пуске, режим заряда, режим разряда на потребители бортовой сети транспортного объекта); - величина тока разряда в режиме электростартерного пуска изменяется в широком диапазоне, при этом форма кривой имеет случайный характер и зависит от условий пуска двигателя; - после запуска ДВС при выходе его на эксплуатационные обороты направление тока ХИТ не постоянно (заряд переходит в разряд и наоборот); - возникают длительные отрезки времени работы ХИТ на холостом ходу, связанные с остановками и стоянками транспортного объекта. В этих условиях важно оперативно получать информацию о балансе количества электричества, поступившего в ХИТ при заряде и отданным им в режиме разряда.В работе осуществлены моделирование переходных процессов при пуске и экспериментальные исследования, проведенных с целью оценки экстремальных пусковых токов и выбора соответствующего типа датчика тока. Для производства моделирования в программеMatLab-Simulink необходимо получить математическое описание исследуемых процессов. В настоящее время, в системах электрического пуска двигателей внутреннего сгорания широко применяются стартеры с использованием двигателей постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. При этом условии общая система уравнений, описывающая процессы в системе ХИТ-стартер-механическая нагрузка будет иметь вид: Еа L я J di я Ri я e Я ; dt d mст М с dt ; (3) e я Св Ф0 ; mст С м i яФ0 . где Еа – ЭДС, возникающая в результате химических процессов в аккумуляторе; iя - ток якоря при пуске ДВС;Lя- эквивалентная индуктивность цепи обмотки якоря; R=Ri+Rя- активное сопротивление, включающее в себя сопротивление обмотки якоря Rя и внутреннее сопротивления аккумулятора Ri; eя – противоЭДС якорной цепи;ω- частота вращения электродвигателя; 12 Ф0 =const- магнитный поток;J- приведенный момента инерции вращающихся частей ДВС к валу электродвигателя; mстарт-электромагнитный момент стартера; Мс - статический момент сопротивления; Ce, Cм- конструктивные постоянные двигателя постоянного тока. Исходя из системы уравнений (3), используя библиотеку программного комплекса MatLab-Simulink, получена схема моделирования переходного процесса в системе «ХИТ-стартер-нагрузка», показанная на рис.4.Исходными данными для решения системы уравнений (3) в MatLab-Simulink являются: Lя, J, См, Сe, Rя, Ri, Ф0,Мс,Еа, которые определяются на основании паспортных и экспериментальных данных.Пуск двигателя может осуществляться в различных условиях, которые будут оказывать влияние на величину параметров, входящих в структурную схему моделирования. Так, в условиях низких температур будет повышаться внутреннее сопротивление ХИТ Ri , а по мере разряда ХИТ так же будетснижаться ЭДС Еа. Рис.4. Моделирование переходного процесса в системе «ХИТ-стартер-нагрузка» Моделирование переходного процесса было осуществлено на примере пуска ДВС со стартерным двигателем компании NipponDenso (модель 56041436 AC). В результате моделирования получены временные зависимости тока якоря iя(t) (рис.5,а); электромагнитного момента стартера mст(t) (рис.5,б); угловой скорости электродвигателя ω(t) (рис.5,в) при пуске ДВС при различных условиях. Кривые с индексом 1 соответствуют условиям пуска, при которых значения внутреннего сопротивления ХИТ и ЭДС составляют значения Ri=0,006 Ом, ЭДС Еа=12,6 Ом. Кривые с индексом 2 соответствуют условиям, при которых Еа=12,0; Ri=0,006 Ом; а с индексом 3 при Ri=0,02 Ом ;Еа=12,6 Ом. Форма кривой тока, полученная в реальных условиях разряда ХИТ при пуске ДВС (рис.6,б), незначительно отличается от графиков iя(t) (рис.6,а), 13 полученных в результате моделирования, но экспериментальные данные и расчетные данные, полученные в результате моделирования, имеют значения одного порядка, что говорит о приемлемом выборе исходных данных для выполнения моделирования. Рис.5. Результаты моделирования Рис.6. Кривые тока, полученные расчетным (а) и экспериментальным (б) путем Исследование переходного процесса при разряде ХИТ в режиме электростартерного пуска позволяет сделать вывод о необходимости введения в 14 систему контроля баланса количества электричества дополнительного измерительного канала в связи с многократным превышением тока в пусковом режиме по сравнению с его величиной в режимах заряда-разряда. Электротехнический комплекс контроля количества электричества системы энергообеспечения потребителей бортовой сети транспортного средства с химическими аккумуляторными накопителями и штатными генераторами электрической энергии (рис.7)включает в себя следующие основные блоки: микроконтроллер, в состав периферии которого входят аналогово-цифровой преобразователь и таймер; Дх- датчик тока, контролирующий ток разряда в стартерном режиме; Д2- датчик тока, контролирующий ток в режиме заряда ХИТ и разряда на потребители бортсети; Г- генератор; М- стартер; Р-обгонная муфта стартера; Б- потребители бортсети; БПОС-блок предварительной подготовки сигнала; ЖКИ- жидкокристаллический индикатор; К1- реле стартера; К2- реле-регулятор генератора. Рис.7. Структурная схема электротехнического комплекса: u1(t)-выходной сигнал датчика Холла Дх ; u2(t)-сигнал датчика Д2; iз(t)-ток заряда; iр(t)-ток разряда;1,2,3,4- входы АЦП устройства; 5- измерительная часть комплекса При использовании в качестве Д2 датчика тока резистивного типа, его выходной сигнал u2(t), в зависимости от режима работы ХИТ, будет иметь, как прямую, так и обратную полярности по отношению к опорному напряжению АЦП. Для обеспечения возможности обработки АЦП выходного сигнала датчика тока u2(t) в обоих режимах необходимо провести его предварительную подготовку. В предлагаемой системе для предварительной подготовки выходного сигнала датчика тока Д2 используется специальный блок (БПОС), представленный на 15 рис.8.В результате подготовки составляющая сигнала, имеющая обратную полярность на интервалах времени разряда, по отношению к опорному напряжению АЦП, инвертируется с помощью точного детектора. Рис.8. Структурная схема, поясняющая работу блока предварительной подготовки сигнала: а-выходной сигнал датчика Д2; б- инвертированный сигнал датчика; в-выходной сигнал БПОС, пропорциональный току разряда; г- выходной сигнал БПОС, пропорциональный току заряда; 1-активный детектор канала А; 2 –инвертор; 3- активный детектор канала Б; 4- блок предварительной подготовки разнополярного сигнала; 5-микроконтроллер. В дальнейшем осуществляется расчет баланса количества электричества (суммарного значения заряда ХИТ в процессе работы). При вычислении балансного значения количества электричества величина приращения количества электричества ∆Q на интервалах времени разряда приобретает отрицательный знак, то есть программным способом вычитается из значения количества электричества, поступившего в ХИТ при заряде. Алгоритм работы управляющей программы системы обеспечивает контроль баланса количества электричества во всех трех режимах (стартерном режиме, режиме разряда на потребители бортовой сети, режимазаряда), независимо от их последовательности. Текущее значение баланса количества электричества определяется согласно выражению: n Q (i) Qi (4) i 1 16 В этом выражении ∆Qi определяет суммарное электричества на некотором шаге интегрирования ∆tИi: Qi Qзi Qстi Q рi , значение количества (5) где ∆Qзi-количество электричества, поступившее в ХИТ при заряде на некотором шаге интегрирования ∆tИi; ∆Qстi -количество электричества, отданное ХИТ при разряде в стартерном режиме на некотором шаге интегрирования ∆tИi;∆Qрi-количество электричества, отданное ХИТ при разряде на потребители бортовой сети на некотором шаге интегрирования ∆tИi. Кроме того, в стартерном режиме алгоритм программы обеспечивает определение электрических характеристик ХИТ при разряде в режиме, близкому к короткому замыканию: пикового значения тока разряда, минимального значения напряжения на клеммах ХИТ, а также значения энергии и количества электричества, затраченные на пуск ДВС.Система контроля определяет значение баланса количества электричества, поступившее в ХИТ, при эксплуатации транспортного объекта в течение суток. Таким образом, в главе 4 сформированы принципы построения цифрового электротехнического комплекса контроля количества электричества при функционировании систем энергообеспечения потребителей бортовой сети транспортных средств с химическими аккумуляторными накопителями и штатными генераторами электрической энергии; разработана математическая модель и проведено исследование переходных процессов в системе «ХИТстартер-механическая нагрузка» при функционировании систем энергообеспечения потребителей бортовой сети транспортных средств. Математическая модель позволяет определить количество электричества и энергию, затрачиваемых ХИТ при пуске ДВС.Предельная относительная погрешность при контроле баланса количества электричества составляет значение не более 1,5 %. Контроль текущего значения баланса количества электричества имеет важное значение для оптимальной работы систем энергообеспечения транспортного средства. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ В процессе выполнения данной работы получены следующие результаты: 1. Проведен анализ существующих средств контроля количества электричества при различных электротехнических технологиях с целью определения возможности их усовершенствования. Рассмотрены общие вопросы построения цифровых электротехнических комплексов контроля количества электричества при протекании тока в электрохимических устройствах. 2. Обоснованасхемотехника и алгоритм функционирования цифрового электротехнического комплекса контроля количества электричества, основанного на использовании принципа импульсного аналогово-цифрового интегрирования с программным управлением текущего значения аналогового сигнала преобразователя тока, позволяющее исключить влияние шумов и 17 пульсации на результаты интегрирования выходного сигнала датчика тока, что невозможно реализовать при дискретизации процессов измерения. 3. Обоснованасхемотехника и алгоритм функционирования цифрового электротехнического комплекса управления энергообеспечением электрохимических устройств и контроля количества электричества при реверсировании тока, что имеет важное значение для повышения качества протекания электрохимических процессов. 4. Сформированы принципы построения цифрового электротехнического комплекса контроля количества электричества при функционировании систем энергообеспечения потребителей бортовой сети транспортных средств с химическими аккумуляторными накопителями и штатными генераторами электрической энергии. 5. Впервые предложен способ контроля текущего значения баланса количества электричества в процессе эксплуатации транспортного средства, что позволяет своевременно выполнять соответствующие мероприятия по нормализации работы системы энергообеспечения. Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: 1. Попов, А.П. Цифровое устройство измерения количества электричества для исследования электрохимических процессов / А.П. Попов, В.Ю. Сысолятин // Омский научный вестник. – 2012. – №2(110). С.189 – 196. 2. Сысолятин, В.Ю. Цифровое устройство заряда-разряда химических источников тока / В.Ю. Сысолятин// Омский научный вестник. – 2012. №3(113). – С.241 – 245. 3. Попов,А.П. Теоретическое обоснование алгоритма управления микропроцессорным устройством измерения электрической энергии при аккумуляторном пуске двигателя внутреннего сгорания/ А.П.Попов, В.Ю. Сысолятин// Омский научный вестник. – 2013. - №2(120). –С.246 – 249. 4. Пат. № RU 130005 U1. Устройство для диагностики систем дизеля / В.Ю. Сысолятин.– заявлено 27.12.2012,опубл. 10.07.2013, бюл.№13. 5. Программа микроконтроллера для импульсного управления электронным устройством заряда-разряда аккумулятора / А.П.Попов, В.Ю. Сысолятин, А.В. Черанев.– М.: ОФЭРНИО, 2010. – 50201000731. Св-во о регии электронного ресурса №15691 от 04.05.2010. 6. Программа для микроконтроллера дляуправлением дозатором количества электричества, №17091от 23.05.2011/ А.П.Попов, В.Ю. Сысолятин, А.А. Моисеенко, А.И. Батрак.–М.: ОФЭРНИО, 2010. – 50201050078. Св-во о рег-ии электронного ресурса №16322 от 22.10.2010. 7. Программа управления микроконтроллером цифрового прибора контроля емкости химического источника тока / А.П.Попов, В.Ю. Сысолятин, А.А. Моисеенко.-М.: ОФЭРНИО, 2011. – 50201150691. Св-во о рег-ии электронного ресурса №17091от 23.05.2011. 18 8. Программа управления микроконтроллером цифрового прибора контроля количества электричества, количества энергии, времени разряда химического источника тока при разряде в стартерном режиме / А.П.Попов, В.Ю. Сысолятин.–М.: ОФЭРНИО, 2012. – 50201250122. Св-во о рег-ии электронного ресурса №17785от 19.01.2012. 9. Сысолятин, В.Ю. Цифровое устройство автоматизации диагностики и технического обслуживания химических источников тока/ В.Ю. Сысолятин// Вестник сибирского отделения академии военных наук. – 2012. – №15. –С. 70 – 72. 10. Сысолятин, В.Ю. Цифровой дозатор количества электричества для исследования химических источников энергии в режиме импульсного зарядаразряда/ В.Ю. Сысолятин, А.П. Попов //Омский регион– месторождение возможностей: Материалы IIрегион.молод. научн.-техн. конф. – Омск: ОмГТУ, 2011. Кн. 1. – С. 285–286. Личный вклад автора в совместных работах заключается в следующем: в работе [1] предложена структурная и принципиальная схемы устройства; в работах [9, 10] предложены структуры построения блока задания и контроля количества электричества и блока управления ключом коммутации дозатора электрической энергии; в работе [3]предложена и составлена модель, проведено моделирование процессов в электрических цепях; в работах [5-8] предложен алгоритм управляющих программ, разработан их листинг на языке программирования Си, проведено их симулирование в среде PROTEUS. 19
