JOURNAL OF KONES 2006 NO 1

Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 13, No. 1
COMPUTER AIDED TEST STAND OF HYBRID
ELECTROMECHANICAL DRIVE OF THE HYDRAULIC
EXCAVATOR OPERATING IN SIX-PHASE CYCLE
Janusz Bonarowski
Warsaw University of Technology
ul. Narbutta 84, 02-524 Warszawa, Poland
tel.:+48 22 8499738, fax:+48 22 8499995
e-mail:[email protected]
Przemysáaw Majewski
Warsaw University of Technology
ul. Narbutta 84, 02-524 Warszawa, Poland
tel.:+48 22 8499738, fax:+48 22 8499995
e-mail:[email protected]
Jerzy OcioszyĔski
Warsaw University of Technology
ul. Narbutta 84, 02-524 Warszawa, Poland
tel.:+48 22 8499738, fax:+48 22 8499995
e-mail:[email protected]
Abstract
In paper there is presented a method of the selection of hybrid elements electromechanical driving system of
the hydraulic excavator and the laboratory- stand of hybrid drive of the excavator in working cycle phases. The
article deals methods of the selection of hybrid electromechanical driving system of the hydraulic excavator, the
selection of the engine, the set of electrochemical batteries and the electric driving engine.
In paper there were put the kinematical schema of hybrid electromechanical system of the hydraulic
excavator, the schema of flow of power streams of the by source, theoretical four-phase working cycle of the
excavator, process transient theoretical values of the power at battery clips at assumption of the combustion
engine selection supplying the constant the value of the power equal 11.0 kW, characteristics of the power and
torque at the function of the rotational speed of the S320 engine, the scheme stand of the research hybrid drive
of the excavator in phases of working cycle.
For verifying presumptions there has been built the laboratory, computerized hybrid electromechanical
driving system for the hydraulic working excavator in six phases working cycles. At the assumption of the
duration of analysed phases of equal to the zero, the laboratory- system can also simulate the four-phase
working cycle. The computer programme and the measuring- card make possible the storage and registrations
select essential parameters for the energy- analysis of excavator phases working cycle.
Keywords: working machines, hydraulic excavators, hybrid propulsion sets, combustion engines, energy
recuperation, computer simulation
KOMPUTEROWO WSPOMAGANE STANOWISKO BADAWCZE
HYBRYDOWEGO ELEKTROMECHANICZNEGO NAPĉDU KOPARKI
HYDRAULICZNEJ PRACUJĄCEJ W SZEĝCIOFAZOWYM CYKLU
Streszczenie
W artykule przedstawiono metodĊ doboru elementów hybrydowego elektromechanicznego ukáadu
napĊdowego koparki hydraulicznej oraz laboratoryjne stanowisko napĊdu hybrydowego koparki w fazach cyklu
pracy. Artykuá dotyczy metody doboru hybrydowego elektromechanicznego ukáadu napĊdowego koparki
J. Bonarowski, P. Majewski, J. OcioszyĔski
hydraulicznej, doboru silnika spalinowego, baterii akumulatorów elektrochemicznych oraz elektrycznego silnika
napĊdowego.
W artykule zamieszczono schemat kinematyczny hybrydowego elektromechanicznego ukáadu koparki
hydraulicznej, schemat przepáywu strumieni mocy Ĩródáa wtórnego, teoretyczny czterofazowy cykl pracy koparki,
przebieg chwilowych teoretycznych wartoĞci mocy na zaciskach akumulatora przy zaáoĪeniu doboru silnika
spalinowego dostarczającego staáą wartoĞü mocy równą 11.0 kW, charakterystyki mocy i momentu obrotowego
w funkcji prĊdkoĞci obrotowej silnika S320, schemat blokowy stanowiska badawczego napĊdu hybrydowego
koparki w fazach cyklu pracy.
Dla zweryfikowania zaáoĪeĔ zbudowano laboratoryjny, skomputeryzowany hybrydowy elektromechaniczny
ukáad napĊdowy dla koparki hydraulicznej pracującej w szeĞciofazowym cyklu pracy. Przy zaáoĪeniu czasu
trwania analizowanych faz równego zeru, ukáad laboratoryjny moĪe równieĪ symulowaü czterofazowy cykl
pracy. Program komputerowy i karta pomiarowa umoĪliwiają akwizycjĊ i rejestracje wybranych parametrów
niezbĊdnych do analizy energetycznej faz cyklu pracy koparki.
Sáowa kluczowe: maszyny robocze, koparki hydrauliczne, hybrydowe zespoáy napĊdowe, silniki spalinowe,
rekuperacjĊ energii, symulacja komputerowa
1. WstĊp
Z analizy cyklu teoretycznego pracy koparki hydraulicznej wynika, Īe mimo zastosowania
hydraulicznego ukáadu napĊdowego wskaĨnik jej wykorzystania w cyklu jest maáy. W celu
zwiĊkszenia walorów eksploatacyjnych maszyny, a takĪe zmniejszenia jednostkowego
zuĪycia paliwa naleĪy w wiĊkszym stopniu wykorzystaü moc silnika napĊdowego w cyklu
pracy. Zakáadając pracĊ silnika napĊdowego ze staáą prĊdkoĞcią obrotową i staáym
obciąĪeniem zewnĊtrznym moĪna nadmiar uzyskiwanej energii w stosunku do chwilowego
zapotrzebowania akumulowaü, a nastĊpnie w przypadku wiĊkszego jej zapotrzebowania
ponownie wykorzystaü. UwzglĊdniając rekuperacjĊ energii zapewni siĊ wiĊkszą moc
dyspozycyjną Ĩródáa napĊdu umoĪliwiając miĊdzy innymi przyspieszenie przebiegu operacji
(skrócenie czasu cyklu pracy) bądĨ zmniejszenie mocy silnika napĊdowego. Tego typu zalety
posiada hybrydowy ukáad napĊdowy koparek.
2. Metoda doboru hybrydowego elektromechanicznego ukáadu napĊdowego koparki
hydraulicznej
Przykáadowym obiektem analizy jest koparka hydrauliczna typu 111 o pojemnoĞci
áyĪki 0.1 m3. Doboru elementów hybrydowego ukáadu dokonano na podstawie parametrów
cyklu teoretycznego pracy koparki przedstawiającego przebieg mocy silnika spalinowego w
funkcji czasu dla szeĞciu faz cyklu pracy przy skrawaniu áyĪką i okreĞlonego czasem trwania
cyklu T1=19.39 s oraz zapotrzebowaną mocą Ğrednią cyklu 8.23 kW. Silnik spalinowy takiego
ukáadu napĊdowego powinien zapewniü dostarczenie w czasie cyklu, mocy o staáej wartoĞci
równej mocy Ğredniej 8.23 kW, z uwzglĊdnieniem odpowiednich wspóáczynników
sprawnoĞci.
Na rysunku 1 przedstawiono schemat kinematyczny hybrydowego elektromechanicznego
ukáadu napĊdowego, natomiast na rysunku 2 schemat przepáywu strumieni mocy Ĩródáa
wtórnego (akumulatora elektrochemicznego). W strumieniach przyjĊto nastĊpujące
wspóáczynniki sprawnoĞci:
- sprawnoĞü przepáywu energii od silnika spalinowego do maszyny
K1 0.99
elektrycznej,
- sprawnoĞü przepáywu energii od maszyny elektrycznej do pomp
K2 0.98
hydraulicznych,
- sprawnoĞü maszyny elektrycznej,
K3 0.90
K 4 0.5 0.7 - sprawnoĞü akumulatora elektrochemicznego w zaleĪnoĞci od warunków
pracy i stanu jego naáadowania.
228
COMPUTER AIDED TEST STAND OF HYBRID ELECTROMECHANICAL DRIVE...
PowyĪsze wspóáczynniki sprawnoĞci są wartoĞciami uĞrednionymi dla cyklu
teoretycznego koparki hydraulicznej.
Rys. 1. Schemat kinematyczny hybrydowego elektromechanicznego ukáadu koparki hydraulicznej o pojemnoĞci
áyĪki 0.1 m3 (1 – silnik spalinowy, 2 – przekáadnia mechaniczna, 3 – maszyna elektryczna, 4 – akumulator
elektrochemiczny, 5 – pompy hydrauliczne)
Fig. 1. Kinematics schema of hybrid electromechanical system of the hydraulic excavator of the 0.1 m3 spoon
capacity of the (1 - combustion engine, 2 - mechanical gear, 3 - electric machine, 4 - electrochemical
battery, 5 - hydraulic pumps)
Rys. 2. Schemat przepáywu strumieni mocy Ĩródáa wtórnego ( K1 , K 2 , K 3 , K 4 - wspóáczynniki sprawnoĞci w
poszczególnych strumieniach mocy)
Fig. 2. Schema of flow of streams of the power by ( K1 , K 2 , K 3 , K 4 - coefficients of the efficiency in each streams
of the power) source
Przykáadowy napĊd hybrydowy elektromechaniczny, zaprojektowano dla koparki
hydraulicznej o pojemnoĞci áyĪki 0.1 m3., która realizuje cykl pracy czterofazowy.
W czterofazowym cyklu przy skrawaniu áyĪką, pozostawiono Ğrednie moce i czasy fazy 1 i
4, natomiast fazy 2 i 3 oraz fazy 5 i 6 odpowiednio poáączono skracając czas caáego cyklu i
zwiĊkszając jednoczeĞnie Ğrednią wartoĞü mocy. Taki czterofazowy cykl pracy moĪe powstaü
w wyniku realizacji przez operatora maszyny, konkretnego eksploatacyjnego cyklu, a
odpowiednie zmniejszenie czasu pracy tych faz a zwiĊkszenie poboru mocy powstaáo zgodnie
z moĪliwoĞciami eksploatacyjnymi i konstrukcyjnymi koparki.
Na rysunku 3, przedstawiono czterofazowy teoretyczny cykl pracy koparki:
Rys. 3. Teoretyczny czterofazowy cykl pracy koparki
Fig. 3. The theoretical four-phase working cycle of the excavator
229
J. Bonarowski, P. Majewski, J. OcioszyĔski
Teoretyczne wartoĞci mocy Ğredniej i czasu tego cyklu są nastĊpujące:
faza I,
NI = 10.4 kW, tI = 2.00 s,
faza II,
N21 = 16.17 kW, t21 = 4.62 s, N22 = 5.07 kW, t22 = 1.57 s,
faza III,
N4 = 2.06 kW, t4 = 1.51 s,
faza IV,
N51 = 13.93 kW, t51 = 3.47 s, N52 = 0.23 kW, t52 = 0.47 s.
Faza I czterofazowego cyklu pracy pozostaje niezmieniona.
Pierwsza czĊĞü fazy II jest obciąĪona przez czas 4.62 s mocą Ğrednią 14.5 kW niezbĊdną
do pokonania obrotu do wyáadunku w ruchu przyĞpieszonym, powiĊkszoną o czĊĞü mocy
przeznaczonej do podnoszenia urobku. Jest to moc równa 2 kW dostarczana do ukáadu w
czasie 4.62 s. NastĊpnie w czasie równym 2.16 s i z mocą 5.1 kW urobek jest podnoszony. Po
zakoĔczeniu pierwszej czĊĞci fazy II, nastĊpuje etap obrotu do wyáadunku w ruchu
opóĨnionym. Czas tego obrotu nie jest wliczany do caáego cyklu pracy.
Faza III cyklu czterofazowego pozostaje bez zmian.
Pierwsza czĊĞü fazy IV jest obciąĪona przez 3.47 s mocą Ğrednią równą 13.9 kW
niezbĊdną do powrotu wysiĊgnika koparki na urobisko w ruchu przyĞpieszonym obrotu.
NastĊpnie przez 0.47 s mocą 0.23 kW wysiĊgnik jest napĊdzany przy powrocie na urobisko w
ruchu ustalonym obrotu. Natomiast w ruchu opóĨnionym obrotu, w fazie powrotu na urobisko
zwiĊksza siĊ czas cyklu o 0.21 s.
Opuszczanie wysiĊgnika rozpoczyna siĊ áącznie z obrotem powrotnym na urobisko, przy
czym moc w trakcie opuszczania osprzĊtu jest pozyskiwana w czasie cyklu obrotu
powrotnego wysiĊgnika.
Zapotrzebowanie mocy jest równe:
N Ğr
N 1t1 N 21t 21 N 22 t 22 N 4 t 4 N 51t51 N 52 t52 = 11.0 kW.
t t 1 t21 t22 t 4 t51 t52 53
(1)
Na rysunku 4 pokazano przebieg teoretycznych wartoĞci mocy na zaciskach akumulatora
przy zaáoĪeniu doboru silnika spalinowego, dostarczającego staáą wartoĞü mocy równą 11.0
kW.
Rys. 4. Przebieg chwilowych teoretycznych wartoĞci mocy na zaciskach akumulatora przy zaáoĪeniu doboru
silnika spalinowego dostarczającego staáą wartoĞü mocy równą 11.0 kW
Fig. 4. Run of transient theoretical values of the power at battery clips at assumption of the selection of the
combustion engine supplying the constant the value of the power equal 11.0 kW
N1 = 0.6 kW, t1 = 2.09 s,
N21 = -5.51 kW, t21 = 4.62 s,
N22 = 5.92 kW, t22 = 2.16 s,
230
COMPUTER AIDED TEST STAND OF HYBRID ELECTROMECHANICAL DRIVE...
N4
N51
N52
N53
= 8.93 kW, t4 = 1.51 s,
= -2.93 kW, t51 = 3.47 s,
= 10.76 kW, t52 = 0.47 s.
= 11.0 kW, t53 = 0.21 s.
3. Dobór silnika spalinowego
UwzglĊdniając Ğrednie wartoĞci wspóáczynników sprawnoĞci K1 i K 2 moĪna okreĞliü
wartoĞü mocy silnika spalinowego na wale silnika jako:
Na2 =
Na1
K1K 2
= 11.34 kW.
(2)
WstĊpnie dobrano silnik ZS typu S320. Charakterystyki mocy i momentu obrotowego w
funkcji prĊdkoĞci obrotowej silnika pokazano na rysunku 5:
Rys. 5. Charakterystyki mocy i momentu obrotowego w funkcji prĊdkoĞci obrotowej silnika S320
Fig. 5. Characterizations of the power and torque versus of the rotational speed of the S320 engine
Zakáadając, Īe silnik ten bĊdzie pracowaá z prĊdkoĞcią obrotową 1200 obr/min (która
odpowiada miĊdzy innymi prĊdkoĞci obrotowej znamionowej maszyn elektrycznych prądu
staáego), charakteryzuje siĊ on maáym zuĪyciem paliwa (2.4 dcm3/h). Zgodnie z
charakterystyką (rys. 5) moc przy tej prĊdkoĞci obrotowej silnika jest równa 11.34 kW i
odpowiada mocy okreĞlonej wstĊpnie. Ponadto przy prĊdkoĞci obrotowej silnika równej 1200
obr/min wystĊpuje maksymalny moment obrotowy.
Energia wydatkowana z akumulatora niezbĊdna do realizacji cyklu jest okreĞlona jako:
Wwyá. ak. = N21 t21 + N51t51 = 35.65 kW ,
a Ğrednia moc wyáadowania akumulatora cyklu:
Wwyá .ak .
Nwyá. ak. =
= 2.45 kW.
T
(3)
UwzglĊdniając wspóáczynniki sprawnoĞci moĪna okreĞliü Ğrednią rzeczywistą moc
wyáadowania i áadowania akumulatora elektrochemicznego jako:
N`wyá. ak.=
N wyá .ak .
K2K3
231
= 2.77 kW,
(4)
J. Bonarowski, P. Majewski, J. OcioszyĔski
N`áad. ak.=
N wyá .ak .
K1K3K 4
= 3.93 kW.
(5)
Na rysunku 4 pokazano przebiegi mocy Ĩródáa wtórnego przy zaáoĪeniu, Īe silnik
spalinowy w czasie trwania cyklu dostarcza moc o staáej wartoĞci równej 11.0 kW – linią
ciągáą są zaznaczone przebiegi teoretyczne (sprawnoĞü przepáywu energii jest równa 1;
linią przerywaną – wartoĞci mocy áadowania i wyáadowania akumulatora z uwzglĊdnieniem
sprawnoĞci torów przepáywu energii. Analizując wartoĞci przedstawione na wykresie z
rysunku 4 moĪna okreĞliü Ğrednią moc áadowania akumulatora przy zaáoĪeniu, Īe stan
energetyczny akumulatora na początku powtarzalnego cyklu pracy koparki jest równy
stanowi energetycznemu po jego zakoĔczeniu.
Wydatkowana z akumulatora elektrochemicznego energia w czasie trwania cyklu jest
równa:
Wwyá.ak.rz.= N21rzt21 + N51rzt51 = 40.36 kW.
(6)
Akumulator powinien byü áadowany w cyklu w czasie 6.45 s. W tym czasie silnik
spalinowy powinien uzupeániü energiĊ wydatkowaną z akumulatora w trakcie trwania cyklu.
ĝrednia moc áadowania odniesiona do waáu silnika spalinowego jest równa:
Náad1=
Náad2 =
Wwyá .ak .rz.
1
t1 t 22 t4 t52 t53 K1K3K4
N wyá .ak .rz.
1
t1 t22 t4 t52 t53 K1K 3K 4
= 10.03 kW dla K4
= 14.0 kW dla K4
0.7 ,
0.5 .
(7)
(8)
Przyjmując moc silnika spalinowego równą 11.0 kW, sprawnoĞü akumulatora
elektrochemicznego bĊdzie równa K4 0.63 . Jak wynika z przyjĊtego czterofazowego cyklu
pracy koparki, czas áadowania i wyáadowania akumulatora jest krótki, zatem sprawnoĞü
akumulatora jest maáa.
4. Dobór baterii akumulatorów elektrochemicznych
Podstawą doboru baterii akumulatorów elektrochemicznych do hybrydowego
elektromechanicznego ukáadu napĊdowego koparki są nastĊpujące dane: – maksymalny pobór
mocy z akumulatora elektrochemicznego równy 6.24 kW (rys. 4); czas poboru maksymalnej
mocy z akumulatora elektrochemicznego w cyklu równy 4.62 s (rys. 4); moc áadowania
akumulatora elektrochemicznego równa 11.0 kW (K4 0.63 ); czas áadowania akumulatora
elektrochemicznego w cyklu równy 6.45 s.
Dobierając bateriĊ akumulatorów trakcyjnych wykorzystano katalog firmy DETA-Polska,
która produkuje ogniwa i baterie trakcyjne i wybrano bateriĊ zbudowaną z ogniw oáowiowych
trakcyjnych suchoáadowanych z dodatnimi páytami pancernymi. Zgodnie z informacją
producenta baterie te przeznaczone są do zasilania silników samojezdnych pojazdów i maszyn
roboczych.
W analizowanym cyklu mechanizmów roboczych koparki hydraulicznej mocy
maksymalnej 6.24 kW pobieranej z akumulatora w czasie 4.62 s odpowiada pobór prądu 29 A
co odpowiada zmianie pojemnoĞci akumulatora okoáo 0.036 Ah.
232
COMPUTER AIDED TEST STAND OF HYBRID ELECTROMECHANICAL DRIVE...
Natomiast mocy áadowania 11 kW w czasie 6.45 s odpowiada pobór prądu okoáo 50 A co
odpowiada pojemnoĞci akumulatora 0.089 Ah. WartoĞci pojemnoĞci elektrycznej
akumulatora są niewspóámiernie maáe w stosunku do pojemnoĞci oferowanych w katalogu.
Akumulator elektrochemiczny, stanowiący wtórne Ĩródáo energii w hybrydowych
elektromechanicznych ukáadach napĊdowych maszyn roboczych to nowe, specyficzne Ĩródáo
energii elektrycznej wymagające specjalnych konstrukcji o róĪnych wartoĞciach pojemnoĞci
elektrycznej. Dlatego zasygnalizowano jedynie specyfikĊ dotyczącą filozofii technicznego
doboru tego wtórnego Ĩródáa energii, które w rzeczywistym ukáadzie pracy, na początku
kaĪdego cyklu powinno mieü podobną wartoĞü pojemnoĞci elektrycznej.
5. Dobór elektrycznego silnika napĊdowego
Warunki pracy elektrycznego silnika napĊdowego koparki są podstawą jego doboru do
hybrydowego elektromechanicznego ukáadu napĊdowego. Silnik elektryczny wspóápracuje z
silnikiem spalinowym i baterią akumulatorów elektrochemicznych napĊdzając pompy
hydrauliczne, które z kolei uruchamiają mechanizmy robocze koparki. Maszyna elektryczna
wspóápracując z baterią akumulatorów w okresie ich áadowania charakteryzuje siĊ pracą
prądnicową, a w okresach poboru mocy, pracą silnikową. Moc znamionowa silnika jest
okreĞlona na podstawie mocy szczytowej 16.17 kW (rys. 3), którą w trakcie trwania cyklu
pobiera zespóá pomp hydraulicznych.
Przy wspóáczynniku przeciąĪalnoĞci tego typu silnika elektrycznego prądu staáego w
granicach 1.5 do 2 jego moc znamionowa powinna mieü wartoĞü od 8.0 do 10.8 kW. Wg
katalogów, silnik taki, pracujący z prĊdkoĞcią obrotowej znamionową 1200 obr/min (takiej
samej jak prĊdkoĞü obrotowa silnika spalinowego) ma mocy znamionową 9.0 kW, przy
napiĊciu 230 V i prądzie 47.2 A.
W procesie doboru elektrycznego silnika napĊdowego w elektrycznym ukáadzie
napĊdowym koparki hydraulicznej, jego moc moĪna okreĞliü przyjmując do obliczeĔ
szeĞciofazowy cykl pracy maszyny. RóĪnica w wartoĞciach Ğredniej mocy koparki, przy
uwzglĊdnieniu szeĞcio i czterofazowego cyklu pracy nie ma praktycznego znaczenia, ze
wzglĊdu na przeciąĪalnoĞü silnika elektrycznego. Zgodnie z jego charakterystyką
mechaniczną, przeciąĪalnoĞü ta jest zmienna, w granicach od 1.75 do 3. Wzrost wartoĞci
mocy Ğredniej w czterofazowym cyklu pracy jest wiĊc uwzglĊdniana w zakresie
dopuszczalnego zwiĊkszenia Ğredniej mocy.
Inaczej moĪna postĊpowaü w przypadku obliczeĔ mocy elementów hybrydowego
elektromechanicznego ukáadu napĊdowego, w tym mocy silnika spalinowego. Szczególnie, w
przypadku projektowania tego typu ukáadu w koparkach hydraulicznych, w których
pojemnoĞü áyĪki jest w granicach 0.1 m3.
W ukáadzie napĊdowym hybrydowym elektromechanicznym, silnik spalinowy stanowiący
pierwotne Ĩródáo energii ma dwa zadania. Pierwsze, to przekazywanie staáej wartoĞci mocy w
cyklu do napĊdu urządzeĔ hydraulicznych koparki, drugie to jednoczesne doáadowywanie
akumulatora elektrochemicznego. SkutecznoĞü drugiego zadania jest wymuszona warunkiem
stanowiącym o prawidáowym dziaáaniu ukáadu, sprowadzającym siĊ do reguáy, która
stwierdza, Īe pojemnoĞü elektryczna akumulatora na początku kaĪdego kolejnego cyklu pracy
ma mieü porównywalną (podobną) wartoĞü. Bez niezbĊdnych analiz moĪna stwierdziü, Īe
praktycznie nadają siĊ do tego silniki spalinowe, które mają moc wiĊkszą od 10 kW. Analiza
pracy koparki w szeĞciofazowym cyklu pracy wykazaáa, Īe moc silnika spalinowego
(pierwotnego Ĩródáa energii ukáadu) nie osiągnie wartoĞci 10 kW. PoniewaĪ moc silnika
spalinowego nie moĪe byü zwiĊkszona (silnik nie jest tak przeciąĪalny, ukáad mógáby mieü
techniczne trudnoĞci z realizacją czterofazowego cyklu pracy. Do doboru elementów
233
J. Bonarowski, P. Majewski, J. OcioszyĔski
stanowiska laboratoryjnego, hybrydowego elektromechanicznego ukáadu napĊdowego,
wykorzystano szeĞciofazowy cykl pracy koparki.
Rys. 6. Schemat blokowy stanowiska badawczego napĊdu hybrydowego koparki w fazach cyklu pracy
Fig. 6. The block scheme of the research stand of hybrid drive of the excavator in working cycle phases
6. Komputerowo wspomagane stanowisko badawcze hybrydowego elektromechanicznego
napĊdu koparki hydraulicznej pracującej w szeĞciofazowym cyklu
W celu zweryfikowania rozpatrywanych zaáoĪeĔ zbudowano laboratoryjny,
skomputeryzowany hybrydowy elektromechaniczny ukáad napĊdowy dla koparki
hydraulicznej pracującej w szeĞciofazowym cyklu pracy. Przy zaáoĪeniu czasu trwania
wybranych (analizowanych faz) równego zeru, ukáad laboratoryjny moĪe równieĪ symulowaü
czterofazowy cykl pracy.
W komputerze, zainstalowano autonomiczny program wymuszający realizacjĊ wybranego
cyklu pracy kaparki (istnieje moĪliwoĞü doboru czasu trwania poszczególnych faz pracy oraz
odpowiadających im obciąĪeĔ).
ħródáem pierwotnym zasilającym silnik wykonawczy (samowzbudny silnik
prądu staáego, zasilany napiĊciem 12 V – M-) jest typowy alternator samochodowy (Galt)
napĊdzany do zadanej prĊdkoĞci obrotowej (program komputerowy) trójfazowym silnikiem
indukcyjnym M~, który jest zasilany z sieci trójfazowej przez sterownik silników
asynchronicznych LENZE 9323E.
ħródáem wtórnym, jest akumulator elektrochemiczny Ak o napiĊciu znamionowym 12 V.
Regulowanym (komputerowo, zgodnie z przyjĊtym cyklem silnikiem). Jej – sterowany
zgodnie z fazami cyklu pracy – prąd wzbudzenia symuluje zmiennoĞü obciąĪenia mocą w
poszczególnych fazach cyklu.
234
COMPUTER AIDED TEST STAND OF HYBRID ELECTROMECHANICAL DRIVE...
Elementem dopasowującym Ĩródáo pierwotne i wtórne do wartoĞci chwilowych obciąĪeĔ
(moc pobierana przez silnik prądu staáego moĪe byü wiĊksza, mniejsza lub równa wydajnoĞci
alternatora) i zapewniającym speánienie warunku: Īe stan energetyczny akumulatora na
początku powtarzalnego cyklu pracy koparki jest równy stanowi energetycznemu po jego
zakoĔczeniu, jest Stabilizator Mocy alternatora, o nastawialnym poziomie stabilizacji.
Schemat blokowy stanowiska badawczego napĊdu hybrydowego koparki w fazach cyklu
pracy przedstawia rysunek 6.
Program komputerowy i karta pomiarowa PCL standardowo umoĪliwiają akwizycjĊ i
rejestracje wybranych parametrów niezbĊdnych do analizy energetycznej faz cyklu pracy
koparki.
7. Uwagi koĔcowe
Projektując hybrydowy elektromechaniczny napĊd koparki hydraulicznej, wziĊto pod
uwagĊ podstawowy warunek pracy tego ukáadu, taki aby Ğrednia moc áadowania akumulatora
elektrochemicznego zapewniaáa, Īe jego stan energetyczny na początku powtarzalnego cyklu
pracy koparki bĊdzie równy stanowi energetycznemu po jego zakoĔczeniu. Warunek ten jest
trudny do praktycznego speánienia, gdyĪ naleĪy siĊ liczyü z tym, Īe w trakcie pracy koparki
sprawnoĞü akumulatora jest zmienna w granicach od 0,5 do 0,7.
W laboratoryjnym ukáadzie napĊdowym istnieje moĪliwoĞü akumulacji energii
pierwotnego Ĩródáa, gdy moc Ĩródáa jest wiĊksza od aktualnej mocy oporów ruchu
(obciąĪenie silnika prądu staáego). Ta dodatkowa energia, niezaleĪnie od wykorzystania do
usprawnienia pracy urządzeĔ ekologicznych, moĪe byü przeznaczona do áadowania
akumulatora, zwiĊkszając czas pracy koparki.
Ta naturalna wáaĞciwoĞü związana z odzyskaniem i akumulacją energii jest ĞciĞle
związana ze zmianą kwalifikacji energetycznej obiektu zaliczając go do energooszczĊdnych o
okreĞlonych korzyĞciach ekologicznych.
W artykule przedstawiono schemat blokowy komputerowo wspomaganego stanowiska
badawczego hybrydowego elektromechanicznego napĊdu koparki, umoĪliwiającego realizacjĊ
analizowanego uprzednio teoretycznie opracowanego cyklu pracy.
Literatura
[1] OcioszyĔski, J., Makowski, J., Studium pracy koparki jednonaczyniowej o záoĪonym
(hybrydowym) Ĩródle napĊdu. Praca wáasna, Instytut MRC PW, Warszawa 1987.
[2] OcioszyĔski, J., Energetyka energooszczĊdnych ukáadów napĊdowych maszyn roboczych.
Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 1994.
[3] OcioszyĔski, J., Elektroenergetyka systemów i urządzeĔ Ĩródeá energii pojazdów
samochodowych i maszyn roboczych, Warszawa 2005 (w druku).
[4] Majewski, P.: Projekt badawczy KBN, 5 TO7C 018 25. (w realizacji, zak. 2006)
[5] Bonarowski, J., Majewski, P., OcioszyĔski, J., Aplikacja doboru Ĩródeá energii
hybrydowego elektromechanicznego napĊdu koparki hydraulicznej. X MiĊdzynarodowa
Konferencja Naukowa – Badania symulacyjne w technice samochodowej, Kazimierz
Dolny – 30.05-1.06 2005 r., Polska Akademia Nauk, Kraków, 2005.
Artykuá powstaá w wyniku projektu badawczego KBN 5 TO7C 018 25.
235