Применение Накопителей Энергии ИКЭ в системах электропитания

  В последнее время на железнодорожном транспорте начали широко использовать импульсные конденсаторы сверхвысокой энергоемкости (ИКЭ). Впервые такие устройства применили в системах электростартерного пуска дизель-генераторных установок дрезин и тепловозов. Подобное применение ИКЭ позволяет при различных неблагоприятных условиях (пониженной емкости аккумуляторной батареи АБ, низкой температуре окружающего воздуха) обеспечивать надежный запуск двигателей внутреннего сгорания, снижать ток разряда батареи, увеличив ее ресурс, уменьшать время запуска двигателя. Это дает возможность повысить экономичность и надежность его работы. Разработанные схемные решения позволяют надежно запускать двигатели при напряжении в 2,4 раза ниже номинального АБ.

Для этих целей ИКЭ были применены на Московской и ряде других дорог, причем затраты на закупку и установку окупились в короткие сроки.

Следующим этапом применения ИКЭ стало их использование в оперативных цепях постоянного тока собственных нужд тяговых подстанций. Здесь наибольшее распространение получили открытые стационарные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи типа СК. В значительно меньшей степени применяют щелочные никель-кадмиевые АБ.

Конструкция и технология их эксплуатации были разработаны в начале двадцатого века и до настоящего времени не претерпели существенных изменений. Технические условия эксплуатации требуют больших энерго- и трудозатрат, кроме того, они не являются экологически чистыми устройствами, так как выделяют токсичные и взрывоопасные вещества, что предъявляет особые условия к их размещению.

Необходимо отметить, что сроки службы, периодичность технического обслуживания батарей во многом зависят от режима подзаряда. Оптимальный режим для щелочных АБ характеризуется поддержанием напряжения подзаряда равным 1,38 — 1,45 В на элемент. Снижение этого уровня приведет к уменьшению запасенной энергии. Так, при напряжении 1,28— 1,38 В на элементах разница в запасенной энергии составит 15 — 75 % от номинальной емкости.

При попытке разряда такой батареи часть элементов может быть разряжена ниже допустимого уровня, что не позволит другим элементам полностью отдать накопленную энергию. Неоднократная реализация указанного режима ведет к быстрому выходу из строя всей аккумуляторной батареи.

Режим повышенного напряжения на элементах более благоприятен, но характеризуется повышенным газоотделением. Причем, чем выше напряжение, тем больше газовыделение. При этом возрастает расход энергии на подзаряд, требуется более часто проводить техническое обслуживание с проверкой поэлементного напряжения, уровня и плотности электролита и его корректировки. Разница в запасенной энергии на каждом элементе при таком режиме значительно меньше, чем в первом варианте.

При включении мощных потребителей энергии зарядно-подзарядные устройства не в состоянии полностью обеспечить их энергией. В подобных случаях вступает в работу АБ, которая отдает часть запасенной энергии. В результате напряжение на ней снижается. Начальное напряжение на батарее восстанавливается в течение нескольких часов, так как разница между установленным напряжением на подзарядном устройстве и напряжением АБ незначительна, и подзаряд идет малыми токами. Повторное включение мощных потребителей до полного восстановления энергоемкости приводит к снижению необходимого уровня напряжения.

Оптимальный режим эксплуатации батарей и срок их службы определяются режимом подзаряда, который зависит от характера нагрузки, параметров батареи и подзарядного устройства.

Аналогичным образом решается задача с кислотными АБ. Важнейшим фактором, влияющим на к.п.д. и долговечность работы батареи, является одинаковость параметров ее отдельных элементов. При их значительном различии велика вероятность разряда слабого элемента ниже допустимых норм, что может вывести его из строя и, как следствие, вызвать лавинообразный отказ других элементов и всей батареи в целом.

Разброс параметров элементов батареи снижается при применении готовых АБ, состоящих из 5—10 элементов, так как они проходят контроль и подготовку к эксплуатации на заводе-изготовителе. Опыт применения таких батарей свидетельствует об их высокой надежности по сравнению с другими вариантами.

Таким образом, можно сделать следующие основные выводы для оптимизации режима эксплуатации АБ, работающих в буферном режиме.

Прежде всего, необходимо составлять АБ из элементов, имеющих одинаковые параметры и поддерживать их в этом состоянии на протяжении всего времени эксплуатации. Следует снизить ударные нагрузки на батарею. Рекомендуется выбирать число элементов в батарее так, чтобы они заряжались на 85 — 90 % от номинальной емкости напряжением собственных нужд, установленным на каждой конкретной подстанции (для щелочных батарей —1,38—1,42 В на элемент, для кислотных — 2,4 — 2,6 В). Нельзя допускать глубоких разрядов батареи (для щелочных батарей — 1 В на элемент, для кислотных— 1,7 В).

Специалисты ВНИИЖТа и Московской дороги разработали новый метод решения этой задачи, основанный на применении импульсных конденсаторов сверхвысокой энергоемкости, позволяющий получить ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционной схемой. Для этого на основании требований, разработанных ВНИИЖТом, был выпущен новый тип накопителей энергии для постоянного (буферного) подключения на напряжение 150 В — ИКЭ 20/150.

Он имеет следующие основные технические параметры:

номинальное рабочее напряжение, В ........................................ 150

энергоемкость, кДж....................................................................... 20

емкость, Ф..................................................................................... 1,8

прочность изоляции, МОм ........................................................... 20

Данный тип накопителей энергии позволяет при определенном схемном соединении включать все существующие приводы масляных выключателей, применяемые на тяговых подстанциях.

Ранее при отсутствии питающего напряжения эту функцию могли выполнять только АБ. Выбор типа аккумуляторов определялся токами длительного разряда аварийного режима, возможным временем нахождения тяговой подстанции без напряжения и расчетным током кратковременного режима, который устанавливали по параметрам наиболее мощного масляного выключателя.

 За последнее время мощность цепей питания собственных нужд значительно снизилась за счет применения полупроводниковой техники и более современных электроаппаратов. Однако этот фактор не позволил перейти к применению на тяговых подстанциях менее энергоемких типов аккумуляторов, так как их выбор определяется, в основном, токами включения масляных выключателей.

 Применение накопителей энергии в сочетании с АБ разрешает эту проблему. Их совместное использование в качестве аварийного источника питания цепей собственных нужд позволяет внедрить менее энергоемкие, с большим внутренним сопротивлением типы аккумуляторов, а значит, и значительно более дешевые.

 Второе преимущество такого решения в том, что меняется характер нагрузки батареи, которая в данном случае не будет иметь больших толчковых токов, отрицательно сказывающихся на сроках эксплуатации и ресурсе аккумулятора.

 Наличие кратковременных больших разрядных токов (до 400 А) в цепях собственных нужд, в основном, определяло применение кислотных АБ открытого типа марки СК. Применение ИКЭ совместно с щелочными АБ вместо кислотных улучшает экологическую обстановку на подстанции, поскольку практически исключается выделение токсичных и взрывоопасных газов.

 На Московской дороге были испытаны различные схемные решения совместной работы ИКЭ и АБ. Основная идея их построения приведена на рис.1, где представлена блок-схема комбинированного источника питания собственных нужд 110 В тяговой подстанции.

 Технологический блок необходим для первоначальной зарядки накопителей энергии перед подключением их к схеме питания и выключением. Параметры АБ и ИКЭ рассчитывают таким образом, чтобы оперативные цепи тяговой подстанции могли нормально функционировать в течение 3 ч без внешнего источника напряжения, а затем включились бы самые мощные масляные выключатели.

 Соотношение внутренних сопротивлений АБ и накопителя энергии выбирают так, чтобы их токи при включении выключателей относились как 1:3. Графики распределения токов включения привода ШПЭ-33 и провалов питающего напряжения представлены на рис. 2.

 Сейчас промышленность освоила выпуск более совершенных аккумуляторов, которые имеют герметичное исполнение и в процессе эксплуатации не нуждаются в техническом обслуживании при условии выполнения требований эксплуатации. Их использование для замены батарей типа СК требует применения специальных зарядных устройств, так как величина зарядного напряжения на необслуживаемых АБ должна поддерживаться с точностью до 1 % и регулироваться в зависимости от температуры электролита. Необходимо отметить, что отечественные зарядные устройства не имеют необходимого уровня нестабильности и пульсации выходного напряжения.

Если использовать такие батареи в существующих условиях, то срок их эксплуатации значительно сократится. Период их работы, определенный заводами-изготовителями, не превышает 12 лет (для сравнения — состояние батарей типа СК после 25 лет корректной эксплуатации остается удовлетворительным).

В результате обследований АБ типа СК было установлено, что их энергоемкость даже после превышения полного среднего срока службы вполне достаточна для длительного поддержания оперативного питания в аварийных режимах (в несколько раз больше нормативного времени). Однако включение приводов выключателей от таких аккумуляторов невозможно, так как они имеют повышенное внутреннее сопротивление.

Эксплуатация данных АБ может быть продолжена, но для включения приводов необходимо дополнительно подсоединить определенное число накопителей энергии. В этом случае при подключении к цепи питания нагрузки (включающих катушек масляных выключателей) на короткие промежутки времени энергию отдают в основном накопители энергии, так как их внутреннее сопротивление на порядок ниже, чем сопротивление АБ.

Включение в схему питания накопителей энергии позволяет перевести батарею из буферного режима в режим дозаряда. Это дает возможность поддерживать батарею в полностью заряженном состоянии, исключив режимы обильного газовыделения. При обесточивании подстанции подключение АБ не приведет к значительным изменениям напряжения на шинах за счет демпфирования ее большой емкостью ИКЭ.

Разработанные схемы питания и методики выбора и расчета основных элементов доказали высокую экономическую эффективность предлагаемых вариантов. Капитальный ремонт источников питания собственных нужд с применением ИКЭ и щелочных АБ с пониженной в три раза энергоемкостью на 40 % дешевле по сравнению с полной заменой АБ на аналогичную новую. Кроме того, снижается потребление электроэнергии на подзаряд. Ток подзаряда для стационарных свинцово-кислотных батарей в гарантированные сроки службы равен 15 % от номера батареи. При дальнейшей эксплуатации он увеличивается в 2 — 4 раза. Ток подзаряда щелочных АБ в буферном режиме составляет 0,5 % от номинальной емкости.

Токи утечки накопителей энергии по сравнению с этими величинами ничтожно малы. Расчеты показывают, что при замене батарей СК-6 на КР1--70Р потребление энергии на подзаряд снижается в 2,5 — 5 раз в период гарантированного срока службы батарей, в дальнейшем это соотношение увеличивается.

Показатели надежности предлагаемых вариантов схем значительно выше. Техническое обслуживание щелочных батарей при новой технологии также сокращается вдвое. На Московской дороге оборудованы 7 тяговых подстанций различными схемными вариантами накопителей энергии. Две из них работают более 5 лет без особых претензий со стороны обслуживающего персонала.

Наиболее перспективно, по мнению авторов, применение накопителей энергии на электроподвижном составе. Впервые их использовали в цепях управления вагонов метрополитена. Здесь были установлены накопители энергии с коротким сроком эксплуатации (не более 8 мес.), в эксплуатации они находились более 1,5 года. Эффективность их применения выразилась в улучшении работы электрооборудования и увеличении сроков обслуживания АБ. Дальнейшее применение и разработка новых специальных типов накопителей были приостановлены в связи с отсутствием финансирования.

Необходимо отметить, что существующие система и технология обслуживания аккумуляторов на электроподвижном составе являются достаточно трудоемкими и дорогостоящими. Применение накопителей энергии на электропоездах позволяет сократить трудозатраты на их обслуживание и увеличить срок службы.

Устройство Электропитания С Конденсаторными Накопителями Энергии (КНЭ) Для Питания Собственных Нужд Тяговых Подстанций Напряжением 110/220 В

Основные Технические Характеристики КНЭ

Специальных требований к предприятиям ж. д. для подготовки тяговых подстанций к внедрению КНЭ не предъявляется.

Основные Технические Характеристики КНЭ

Устройства электропитания с конденсаторными накопителями энергии (КНЭ) на основе импульсных конденсаторов энергоемких (ИКЭ) предназначены для питания собственных нужд тяговых подстанций напряжением 110/220 В с целью замены свинцово-кислотных аккумуляторных батарей (АБ) СК-12 на щелочные НКЛБ-70, увеличения срока службы и периодов обслуживания АБ и уменьшения их энергоемкости.

Аналогов нет.

Эффектообразующие факторы: 

• Удлинение срока службы АБ не менее, чем в 1,5 раза, уменьшение энергоемкости АБ в 2 раза
• Уменьшение годовых эксплуатационных расходов при использовании КНЭ со щелочными АБ НКЛБ-70 на одну тяговую подстанцию –  32180 руб./г (по ценам на сентябрь 2006 г.).
• Экономия от разницы цены стоимости АБ СК-12 и НКБЛ-70 и расходов на монтажные и пусконаладочные работы – 16192200 руб./г (по ценам на сентябрь 2006 г.).

 Годовой экономический эффект от внедрения единицы КНЭ со щелочными АБ НКЛБ-70 на одну тяговую подстанцию с учетом налога на прибыль, разовых и амортизационных затрат – 16280164 руб./г (по ценам на сентябрь 2006 г.).

Годовой экономический эффект от внедрения КНЭ со щелочными АБ НКЛБ-70 на одну тяговую подстанцию на 25-и тяговых подстанциях с учетом налога на прибыль, разовые и амортизационные затраты – 407004100 руб./г (по ценам на сентябрь 2006 г.).

АНАЛИЗ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

ПУСКА С НАКОПИТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ

Павел Викторович Гуменюк, Александр Сергеевич Потапов,

Генадий Григорьевич Шпаков

АННОТАЦИЯ

Приведен анализ испытаний систем электрического пуска с накопителем энергии для двигателей внутреннего сгорания. Показаны достоинства и недостатки данных систем.

ABSTRACT

The analysis of tests of systems of electrical start-up with the store of energy for internal combustion engines is given. The advantages and lacks of the given systems are shown.

Рассматриваемая система электростартерного пуска состоит из источника электрической энергии, емкостного накопителя энергии, блока зарядки накопителя энергии, коммутационного устройства, стартера.

Принцип работы системы следующий. Перед пуском двигателя от источника энергии через блок зарядки происходит заряд накопителя энергии. Затем накопитель энергии подключается к стартеру, который обеспечивает прокрутку двигателя. В качестве источника энергии могут быть использованы аккумуляторные батареи любых типов, промышленная сеть, генератор двигателя или генератор, приводимый от руки, термогенератор и т. д.

Блок зарядки преобразует энергию источника и подает ее на накопитель в виде постоянного тока с зарядным напряжением. Время заряда накопителя энергии определяется мощностью источника и блока зарядки, а также количеством запасаемой накопителем энергии. При заряде накопителя энергии непосредственно от аккумуляторных батарей блок зарядки может отсутствовать. Накопитель энергии служит для подачи энергии на стартер и выполняет роль стартерной батареи в штатной системе пуска. Масса и габариты накопителя энергии определяются необходимым количеством энергии для прокрутки двигателя и рабочим напряжением стартера.

В качестве коммутационного устройства могут быть использованы штатное тяговое реле стартера и замок зажигания. При необходимости устанавливаются дополнительно серийно выпускаемые диоды, контакторы, переключатели.

Предусмотрены различные варианты включения накопителя энергии. В простейшем варианте накопители энергии и аккумуляторные батареи соединяются параллельно. Накопители энергии, обладая меньшим внутренним сопротивлением, имеют большую мощность разряда и лучшие вольтамперные характеристики по сравнению с существующими аккумуляторными батареями. Поэтому в момент включения стартера основную нагрузку при пуске берут на себя накопители энергии.

Возможны варианты, в которых накопители энергии или группы накопителей соединяются с аккумуляторными батареями последовательно. В таких схемах происходит удвоение или утроение напряжения. Возможно и параллельно-последовательное соединение батарей.

Характерной особенностью указанных вариантов является сохранение номинального (низкого) напряжения системы электрического пуска. Схемы с низковольтными накопителями энергии удобно использовать на машинах, находящихся в эксплуатации.

Увеличение напряжения системы электрического пуска приводит к увеличению накапливаемой энергии пропорционально квадрату напряжения. Появляется возможность при сохранении мощности стартера уменьшить его ток, а это позволит экономить медь проводов и сократить потери на омическое сопротивление. Становится возможным использование для пуска двигателя непосредственно энергии промышленных сетей. В слаботочных цепях системы электрического пуска высокого напряжения могут быть применены полупроводниковые элементы.

Однако, наряду с положительными качествами высоковольтных систем электрического пуска им присущи и недостатки. Перевод системы пуска на высокое напряжение требует на сегодня разработки специального стартера и включение в схему преобразователя напряжения. С ростом напряжения возникают трудности с решением вопроса электробезопасности. Кроме того, как показали результаты испытаний, высоковольтная система электрического пуска, может иметь отказы в работе. Наиболее характерными из них являются: пробой конденсатора из-за попадания влаги и загрязнения открытых контактов при установке батареи конденсаторов под капотом; пробой по изоляционной поверхности соединительных разъемов вследствие попадания на них грязесолевого раствора, летящего из-под колес автомобиля при эксплуатации его в зимних условиях /3/.

Сравнение низковольтной и высоковольтной системы электрического пуска выявляет на сегодня преимущества низковольтной системы. Прежде всего, оно заключается в лучшем согласовании с существующей низковольтной системой электрооборудования автомобиля и, как следствие, возможность ее внедрения не только на серийно выпускаемых и проектируемых двигателях, но и на уже находящихся в эксплуатации. Кроме того, не возникает вопросов электробезопасности, присущих высоковольтным системам.

В начальный период, на первых пусковых системах в качестве накопителей энергии использовались конденсаторы. Из серийно выпускаемых конденсаторов по удельной мощности, достигающей 1 кВт/см, а также по количеству накапливаемой энергии на единицу массы или объема для пусковой системы двигателя более всего подходят электролитические конденсаторы (табл. 1).

Из табл. 1 видно, что удельная энергия конденсаторов растет с ростом напряжения, и что энергия отдельных номиналов не превышает 150 Дж.

Поскольку для пуска двигателей требуется энергия в тысячи джоулей, то из-за отсутствия конденсаторов нужных номиналов приходится составлять батарею конденсаторов способную накопить необходимую энергию. Это приводит к увеличению размеров и массы накопительного энергии, к снижению их удельной емкости в 1,5 - 2 раза.

Таблица 1

Характеристики конденсаторов типа К 50-18

Появление молекулярных накопителей, обладающих гораздо лучшими, чем конденсаторы удельными показателями, вытеснило последние из систем электрического пуска. Обладая такой же удельной мощностью, молекулярные накопители энергии по удельной энергии превосходят конденсаторы в 60 раз. Основные показатели выпускаемых в настоящее время накопителей приведены в табл. 2.

Накопители энергии типа МИГ-старт и Пульсар-пуск были разработаны специально для использования в системах электрического пуска. Удельная энергия этих накопителей отличается в лучшую сторону. В перспективе отдельные образцы смогут накапливать энергию до 150 кДж, что достаточно для пуска дизельного двигателя с рабочим объемом цилиндров до 40 л. Удельные показатели подобных накопителей составит 3 - 5 кДж/кг.

Преимуществом накопителей энергии по сравнению с аккумуляторными батареями являются меньшая зависимость электрических характеристик от температуры и большая удельная мощность.

Накопители энергии взрыво-пожаробезопасны, вибростойки, нетоксичны, не нуждаются в техническом обслуживании, имеют ресурс не менее 1000 циклов заряд-разряд и срок службы до 10 лет. Специальных требований по их установке не предъявляется.

Таблица 2

Характеристики накопителей

При использовании в системах электрического пуска накопителей энергии уменьшается разрядный ток аккумуляторных батарей за счет увеличения длительности процесса заряда накопителя энергии. В результате облегчения режима работы аккумуляторных батарей увеличивается отдаваемая емкость и образуется даже избыток энергии, который дает возможность на отдельных видах двигателей использовать аккумуляторные батареи меньшей емкости.

Впервые емкостные накопители энергии было предложено использовать для пуска двигателя в 1983 году. Специалистами было изготовлено несколько опытных пусковых систем на основе конденсаторных батарей, заряжаемых от источников постоянного тока (батареи карманного фонаря, мотоциклетного аккумулятора или электрогенератора с ручным приводом). Емкость конденсаторных батарей изменялась от 2400 до 75000 мкФ; напряжение используемых в батарее конденсаторов доводилось до 300 В. В качестве электростартеров применялись электродвигатели постоянного тока мощностью от 0,11 до 1 кВт. Работа опытных установок проверялась на двигателях мощностью от 2 до 70 кВт /4/. Так для пуска двигателя автомобиля “Ока” в качестве стартера использовался электродвигатель КН 11-750/220 от бытовой электропилы /6/, а в качестве накопителей использовались конденсаторы К 50-18 или К 50-42. Для пуска при минус 15 0С оказалось достаточным энергии 900 Дж. При пуске в этих условиях “просадок” напряжения, характерных для классической системы пуска не наблюдалось, что дало возможность заменить штатную аккумуляторную батарею емкостью 38 А×ч малогабаритной мотоциклетной 6МТ-9 массой около 3 кг. Все показатели пуска практически не изменились. Заменой конденсаторов К 50-18 на К 50-42 напряжением 360 В и емкостью 2200 мкФ в одном элементе масса батареи снижается в 4 раза и при запасенной энергии 1 кДж составила около 2 кг.

Использование емкостных накопителей в системах электрического пуска двигателя МеМЗ-968 позволило заменить штатную батарею 6СТ-55 на две мотоциклетных батареи 3МТ8. Благодаря этому объем батареи уменьшился в 8 раз. Вместо стандартного стартера СТ-368 был применен электродвигатель типа УВО-61М (напряжение - 230 В, номинальный ток - 3,5 А, рабочая частота вращения - 7000 мин). Механизм включения и крепления стартера СТ-368 был полностью перенесен на новый двигатель. В результате масса и габариты нового стартера оказались даже меньше стандартного. Батарея конденсаторов состояла из 80 параллельно соединенных конденсаторов К 50-17 емкостью 800 мкФ каждый (рабочее напряжение 300 В). Удельная энергия конденсаторов этого типа равна 0,5 Дж/см, а их общий объем - 6000 см, то есть он почти в 2 раза меньше, чем объем батареи 6СТ-55. Таким образом, объем, занимаемый обеими батареями и стартером, оказался на 30% меньше, чем в случае традиционной системы пуска. Преобразователь мощностью 100 Вт (объем 500 см) заряжал батарею конденсаторов за 30 с и сообщал при этом энергию 2880 Дж.

Пуск двигателя в 100%  попыток происходил за 0,2 - 0,3 с, то есть гораздо быстрее, чем при обычной системе. Пусковая частота вращения коленчатого вала составляла 400 мин-1 , в то время как при классической системе пуска - только 65 - 130 мин-1 /7/.

Экспериментальная конденсаторная система пуска для автомобиля ЗиЛ-130 включает электростартер на базе двигателя УВО-61М мощностью 2625 Вт. Этой мощности оказалось достаточно, чтобы раскрутить коленчатый вал двигателя ЗиЛ-130 при температуре – 20 0С до 100 мин . Для согласования характеристик стартера и двигателя был использован в встроенный редуктор, что позволило сохранить механизм привода стартера СТ-130А1. Но обмотку тягового реле пришлось перемотать на 220 В, чтобы иметь возможность подключать его непосредственно к конденсаторной батарее. В результате переделок масса стартера уменьшалась с 12,6 до 10 кг.

Конденсаторная батарея объемом 2 л запасает энергию 3 кДж (20 конденсаторов К 50-42, напряжением 360 В, емкостью 2200 мкФ), масса с корпусом - 4,5 кг.

Преобразователь напряжения мощностью 120 Вт заряжает конденсаторную батарею за 60 с. Масса преобразователя 0,6 кг, объем - 260 см. Стандартная аккумуляторная батарея 6СТ-90 массой 35,6 кг и объемом 18600 см была заменена на батарею 6МТС-9 массой 4 кг и объемом 1550 см. Так как ток стартера в десятки раз уменьшился, то сечение стартерных проводов было уменьшено до 4 мм. В результате их масса уменьшилась с 2 до 0,2 кг. В целом масса экспериментальной системы составила 40% массы штатной системы пуска. Испытания автомобиля ЗиЛ-130 в феврале - апреле 1988 года показали положительные результаты /2/.

Обзор высоковольтных систем электрического пуска с конденсаторными батареями выявил их возможности с различных сторон. С одной стороны появляется возможность уменьшить габариты и массу системы электрического пуска; в начальный период пуска увеличивается частота прокручивания коленчатого вала. Но с другой стороны продолжительность пуска сокращается до 1 – 3 с, что в условиях низких температур (до минус 500С) приведет к отказам при пусках; необходима замена или полная переделка стартера, что невыполнимо для автомобилей находящихся в эксплуатации. Из-за высокого напряжения происходит пробой изоляции.

В последние годы появляется повышенный интерес к системам электрического пуска с молекулярными накопителями энергии. Огромная емкость накопителей энергии позволила осуществлять пуски двигателей, литраж которых достигает 40 л. Сохранение номинального напряжения системы электрического пуска дает возможность применять стартер без каких-либо конструктивных изменений. Так в НАТИ была проведена проверка потенциальных возможностей систем электрического пуска с накопителем энергии на дизелях Д-120, Д-240Т, В-84, на перспективных дизелях 6ЧН 15/16 и 16ЧН 15/16 и макете дизеля ЗиЛ-645 в диапазоне температур от 20 до минус 45 0С.

Опытная система пуска двигателя ЗиЛ-645 включала штатный стартер СТ-142Б1, две аккумуляторные батареи 6СТ-190, зарядное устройство, блок коммутации, накопитель энергии типа МИГ-старт (1 - 3 шт.) или МИГ-100. Двигатель был заправлен моторным маслом М-8Г2К ГОСТ 8581-78, система охлаждения - низкозамерзающей жидкостью “ТОСОЛ А-65” ТУ-6-02-751-78. При испытаниях использовалось зимнее топливо “3” ГОСТ 305-85. Пуск двигателя опытной системы электрического пуска обеспечивается: при температуре минус 12 0С со второй попытки общей продолжительностью 11,2 с; при температуре минус 22 0С с применением легковоспламеняющейся жидкости с третьей попытки общей продолжительностью 9,5 с; при температуре минус 30 0С с применением легковоспламеняющейся жидкости с восьмой попытки общей продолжительностью 20,1 с. Заряд накопительного элемента производился от лабораторного выпрямителя, работающего от сети 220 В током 50 А за 2 ... 3 минуты /6/.

Сравнительные испытания штатной системы электрического пуска и системы с блоком накопителей энергии на двигателе В-84 показали высокую надежность при применении опытной системы /1/. В состав штатной системы электрического пуска входили стартер СТ-10, номинальным напряжением 48 В, мощностью 19,2 кВт и четыре аккумуляторные батареи 6СТ-190 ТР. Опытная система электрического пуска дополнительно оборудовалась блоком накопителей энергии В80 - 115 кДж и блоком коммутации. В опытной системе электрического пуска заряд накопителя энергии осуществлялся от стартерных аккумуляторных батарей или внешней сети, питании стартера при пуске осуществлялось только от блока накопителей энергии. Для увеличения запасаемой энергии блоком накопителя энергии в опытной системе применялось зарядное устройство, обеспечивающее заряд накопителя энергии до повышенного напряжения по сравнению с напряжением бортовой сети.

Результаты пусковых испытаний показали, что опытная система пуска в сравнении со штатной системой позволяет увеличить частоту вращения коленчатого вала двигателя при температуре выше минус 20 0С до 20%, при температуре ниже минус 20 0С до 100% и более.

Опытная система пуска с применением легко воспламеняющейся жидкости обеспечивает пуск двигателя В-84 на масле М12В2РК без предварительного разогрева при температуре опыта до минус 27 0С с первой попытки.

Штатная система электрического пуска при температуре опыта минус 38 0С не обеспечивает прокрутки предварительно разогретого предпусковым подогревателем двигателя. Опытная система электрического пуска в тех же условиях обеспечила прокрутку и пуск двигателя с 6 - 7 попытки. Работа подогревателя, попытка прокручивания двигателя в первом случае и заряд накопителя энергии для пуска двигателя во втором случае осуществлялись от штатных батарей 6СТ-190ТР с температурой электролита минус 38 0С. При этом суммарные затраты энергии на обеспечение пуска с учетом работы предпускового подогревателя на превысили 15 А×ч.

На однократный заряд накопителей энергии до  80 кДж  требуется  не  более  1,5 А×ч при 24 В, что достаточно для прокрутки коленчатого вала двигателя во всем диапазоне температур.

Пуски двигателя 16 ЧН 15/16 системой электрического пуска от накопителя энергии с запасом энергии 30-80 кДж обеспечиваются в диапазоне температур от плюс 20 до минус 27 0С с первой, второй попытки за 1,5 - 2 с. При этом, при температуре ниже 5 0С применялись средства облегчения пуска: подогреватель впускного воздуха или легко воспламеняющаяся жидкость. Опытная система обеспечивает 6 - 7 пусков двигателя 16 ЧН 15/16 без предварительного их разогрева при температуре окружающей среды минус 25 - минус 27 0С от аккумуляторных батарей со степенью заряда не менее 75%.

ПО ХТЗ совместно НПО НАТИ в 1991 году производились испытания макета опытной системы стартерного пуска двигателя А-57-2С с накопителями энергии. В состав макета входили стартерный двигатель СД-1 (24 В, 10 кВт), аккумуляторная батарея 12СТ-70, два накопителя энергии типа МИГ-24/25 и коммутационные устройства. Результаты испытаний, проведенных при температуре окружающей среды 23 0С, показали, что пуск двигателя от накопителей энергии, заряженных от аккумуляторной батареи со степенью заряда 50%, обеспечивается с первой попытки. Аккумуляторная батарея 12СТ-70, заряженная на 50% (предельная величина разряда аккумуляторных батарей летом), обеспечивает с накопителем энергии пять попыток пуска в условиях проведения эксперимента.

Время заряда двух накопителей энергии от аккумуляторной батареи со степенью заряда 50% до напряжения 19 - 20 В составляет 140 - 196 с, от батареи со степенью заряда 100% до напряжения 23 В -  до 50 с.

Таким образом, макет опытной системы электрического пуска с накопителем энергии обеспечивает надежный пуск двигателя А-57-2С от одной батареи 12СТ-70, заряженной не менее 50% при температуре окружающей среды 23 ± 20С.

В 1989 году были проведены испытания молекулярных накопителей МИГ-СТАРТ в системе пуска двигателя 5ТДФ. Двигатель оснащен штатной системы электрического пуска и объектовыми системами. Система смазки дизеля заправлялась маслом МТ-16п. При пусках осуществлялся подогрев впускного воздуха факельным подогревателем. Система впрыска масла в цилиндры не использовалась.

Частотное моделирование затрудненных условий пуска при отрицательных температурах проводилось за счет отключения подачи топлива в 4-й и 5-й цилиндры и дизель во всех опытах пускался на трех цилиндрах. В качестве накопителя энергии использовались 4 молекулярных накопителя рассчитанных на напряжение 50 В. При температурах ниже минус 10 0С накопитель энергии допускалось заряжать до 60 В. В системе электрического пуска использовались две аккумуляторные батареи 12СТ-85 (вместо четырех). Комбинируя варианты подключения аккумуляторных батарей и накопителя энергии к стартеру, удалось обеспечить надежные пуски двигателя при температуре минус 40 0С. Заряд накопителя энергии возможен от аккумуляторных батарей имеющих температуру минус 40 0С.

В декабре 1988 году в НАМИ были проведены испытания накопителей энергии типа МИГ 10/14 в составе системы электрического пуска двигателя КамАЗ-740 в диапазоне температур от минус 20 до минус 50 0С /5/. При подготовке опытов температура аккумуляторных батарей 6СТ-190ТР (2 шт.), накопителей энергии (3 шт.) и двигателя доводилось до заданного значения в камере холода. Изменение теплового состояния двигателя (его разогрев) производилось с помощью “ТЭНов” мощностью 2 - 6 кВт от сети 380/220 В. В системе смазки двигателя использовалось масло М8Г2К. Заряд накопителя энергии производился от внешнего источника тока. Эксперименты поводились в следующей последовательности: прокручивание двигателя от штатных аккумуляторных батарей; прокручивание двигателя от батарей и накопителя энергии при их параллельной работе; прокручивание двигателя от накопителя энергии; попытка пуска двигателя.

Результаты испытаний показали следующее: при температурах минус 20 и минус 30 0С без предварительного разогрева двигателя совместная работа аккумуляторных батарей и накопителя энергии может дать увеличение частоты прокручивания лишь непосредственно после включения стартера. Однако с течением времени, наличие накопителя энергии по существу не сказывается на частоте вращения и попытке пуска.

При температурах минус 45 - минус 50 0С (и минус 40 0С) с применением предпускового разогрева двигателя совместная работа накопителя энергии и батарей оказывается эффективной по сравнению с возможностями системой электрического пуска без накопителя энергии. Штатная система электрического пуска не в состоянии провернуть разогретый двигатель в указанных условиях. При работе системы электрического пуска совместно с накопителем энергии частота прокручивания двигателя оказывается достаточной для его пуска менее, чем за 0,5 с.

Кроме того, при температуре минус 40 0С после длительного предпускового разогрева двигателя, кода система электрического пуска без накопителя энергии обеспечивает прокручивание коленчатого вала, подключение накопителя энергии повышает частоту вращения примерно на 10%. Таким образом, применение накопителя энергии в системе электрического пуска двигателя КамАЗ-740 может быть эффективным в режиме совместной работы с аккумуляторными батареями после предпускового разогрева двигателя в условиях низких температур. Применение накопителя энергии без аккумуляторных батарей во всех опытах оказалось неэффективным.

Обзор материалов по применению накопителей энергии в системах электрического пуска двигателей показал, что накопители энергии позволяют не только обеспечить пуск двигателя, но в определенных условиях получить по сравнению с существующими системами электрического пуска ряд преимуществ, в частности снизить емкость аккумуляторных батарей, их размеры, массу и стоимость. Системы электрического пуска с накопителем энергии могут обеспечить пуск двигателя внутреннего сгорания при значительной степени разряженности аккумуляторных батарей, что повышает эксплуатационную надежность автомобиля, особенно в условиях низких температур. При отсутствии стартерного режима разряда аккумуляторных батарей система электрического пуска с накопителем энергии может обеспечить пуск двигателя от батареи сравнительно небольшой емкости. В этом случае появляется возможность применения в системе пуска щелочных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей - необслуживаемых, имеющих сравнительно большой срок службы (1000 - 3000 циклов разряд-заряд по сравнению с 200 - 500 циклами стартерных свинцово-кислотных батарей), работоспособных без разогрева при температурах до минус 50 0С.

В зависимости от назначения двигатели можно объединить в три группы по степени использования аккумуляторных батарей. К первой группе отнесены стационарные двигатели, в системах электрического пуска которых возможно полное исключение аккумуляторных батарей. Вторая группа включает двигатели тракторов и сельхозмашин с ограниченным количеством потребляемой электрической энергии, что позволяет значительно уменьшить номинальную емкость аккумуляторных батарей. К третьей группе отнесены двигатели автомобилей и других  транспортных средств, на которых емкость аккумуляторных батарей подобрана не из условия пуска двигателя, а из условия сохранения заданного баланса электроэнергии. Естественно, в этой группе снижение емкости аккумуляторных батарей недопустимо.

Процесс пуска двигателя с использованием накопителя энергии носит импульсный характер с продолжительностью прокрутки 1 - 3 с. При отрицательных температурах пуск двигателя удается осуществить после неоднократного повторения попыток пуска, что не удовлетворяет современным требованиям к пусковым качествам двигателя. Согласно ОСТ 37.001.052 карбюраторные двигатели при пуске прокручивают до 10 с, а дизельные - до 15 с. Иначе говоря, надежный пуск двигателя гарантируется за большее время, чем время работы системы электрического пуска с накопителем энергии. Вторым недостатком системы электрического пуска с накопителем энергии является отсутствие мгновенной готовности к пуску, так как необходим предварительный заряд накопителя энергии, что затрудняет его применение на автомобилях в условиях движения в современном транспортном потоке. Поэтому система пуска с накопителем энергии может быть применена на автомобиле только в качестве дополнительной пусковой системы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Козлов В.И. Технический отчёт по теме: Создание системы электрического пуска с накопителем энергии. - М., НАТИ, 1990.

2. Конденсаторная система пуска на автомобиле ЗиЛ / В.П. Хортов и др. // Автомобильная промышленность. – 1989. - № 4. - С. 26.

3. Конденсаторная система пуска для “Оки” / А.И. Копылов и др. // Автомобильная промышленность. – 1989. - № 6. - С. 22.

4. Конденсаторные системы пуска двигателя внутреннего сгорания / М.Н. Фесенко и др. // Автомобильная промышленность. - 1986. - № 6. – С.36.

5. НАМИ. Протокол испытаний накопителя энергии в составе системы электрического пуска двигателя внутреннего сгорания. - М. 1988.

6. ПО ЗиЛ, НПО НАТИ. Протокол по результатам исследования системы пуска дизеля ЗиЛ-645 с накопителем энергии. - М, 1990.

7. Фесенко М.Н., Хортов В.П. Электроника и конденсаторный пуск // Автомобильная промышленность. – 1986. - № 12. – С. 48.

ПОЯВИЛИСЬ ВОПРОСЫ?

Форма обратной связи:

Контакты:

Россия, 195196

г. Санкт-Петербург,

 Новочеркасская

ул. Таллинская, д.5

Телефон: +7 (812) 971-0-789

E-mail: 9710789 @ mail.ru

(убрать  пробелы)

*Доставка по России при заказе от 50000 руб.

бесплатно до терминала транспортной компании

в Вашем городе.