Исследование, разработка и моделирование гибридной мехатронной системы

Магистерская диссертация на тему "Исследование, разработка и моделирование гибридной мехатронной системы". В работе разрабатывается гибридное исполнение экскаватора на предмет - эффективного использования энергетических ресурсов. Основная идея проекта - использование энергии рекуперации, благодаря которой получается сэкономить потребляемые энергетические ресурсы самой установкой. Установка включает в себя экскаватор,в котором: дизель-генератор (источник питания), трансформатор (чтоб была возможность подключиться к высоковольтной сети карьера), выпрямитель, накопитель (суперконденсатор для аккумулирования энергии рекуперации), непосредственно сам исполнительный механизм (асинхронная машина).
Работа системы исследуется в среде разработки- MATLAB.

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………… 7
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МЕХАТРОННЫХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕКУПЕРИРОВАННОЙ ЭНЕРГИИ…………………………………………. 11
1.1 Мехатроника………………………………………………………….. 12
1.1.1 Гибридные технологии электромеханики 18
1.2 Гибридный транспорт………………………………………………... 20
1.2.1 Общий принцип гибридного автомобиля 20
1.2.2 Схемы работы гибридного транспорта 22
1.2.3 Достоинства автомобилей с гибридной установкой 28
1.3 Рекуперация энергии………………………………………………… 29
1.4 Вывод…………………………………………………………………. 29
2 ЭКСКАВАТОР………………………………………………………………. 30
2.1 Классификация экскаваторов……………………………………….. 30
2.2 Классификация одноковшовых экскаваторов……………………… 32
2.2.1 По типу двигателя 33
2.3.2 По типу механических передач 36
2.3 Сравнение гидравлических и электрических приводов…………… 37
2.3.1 Электропривод 37
2.3.2 Гидропривод 40
2.4 Зарубежные примеры гибридных экскаваторов……………………. 43
2.5 Вывод………………………………………………………………….. 44
3 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ СИСТЕМЫ……………. 45
3.1 Синхронный генератор………………………………………………. 47
3.2 Трансформатор……………………………………………………….. 49
3.3 Управляемый тиристорный выпрямитель………………………….. 50
3.4 Накопитель энергии………………………………………………….. 51
3.5 Инвертор ……………………………………………………………….53
3.6 Асинхронный двигатель ……………………………………………...54
3.7 Вывод …………………………………………………………………..57
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ …………………………………………58
4.1 Модель дизельного двигателя ………………………………………..60
4.2 Модель синхронного генератора …………………………………….61
4.3 Модель трансформатора ……………………………………………...62
4.4 Модель асинхронного двигателя …………………………………….63
4.5 Вывод………………………………………………………………….. 66
5 ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ…………………………………………….. 67
5.1 Исследование работы первой схемы (без накопления энегии)……. 71
5.2 Исследование работы второй схемы (с накоплением энегии)…….. 74
5.3 Сравнение работы двух систем……………………………………… 78
5.4 Исследование процессов в системе при рекуперации энергии в сеть………………………………………………………………………… 82
5.4.1 Исследование

1) Ильинский Н. Ф. Основы электропривода: Учебное пособие для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательство МЭИ, 2003. — С. 220. — ISBN 5-7046-0874-4.
2) Готлиб, Б. М. Введение в специальность «Мехатроника и робототехника» курс лекций / Б. М. Готлиб, А. А. Вакалюк. – Екатеринбург: УрГУПС, 2012. – 134 с. ISBN 978-5-94614-222-9.
3) Смирнов А.Б. Мехатроника и робототехника. Системы микроперемещений с пьезоэлектрическими приводами. Учебное пособие. СПб. Изд-во СПбГПУ, 2003.160 с. ISBN 5-7422-0345-4.
4) Подураев Ю.В. Мехатроника: основы, методы, применение: учебное пособие для студентов вузов. — 2-е изд., стер. — М.: Машиностроение, 2007. — 256 с.: ил. ISBN 978-5-217-03388-1.
5) Николай Филькин, Р.С. Музафаров. Гибридный автомобиль. Основы проектирования, конструирования и расчета. Учебное пособие. Издательства: Форум, Инфра-М, 2014, 240 с. ISBN 978-5-91134-865-6.
6) Реостатное торможение // Железнодорожный транспорт: Энциклопедия / Гл. ред. Н. С. Конарев. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. — С. 375. — ISBN 5-85270-115-7
7) Рекуперативное торможение [Интернет] // Википедия: свободная инциклопедия. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Рекуперативное_торможение, свободный (дата обращения: 22.01.2017).
8) Р. В. Саськов , Р. А. Янсон. Экскаваторы одноковшовые полноповоротные. Учебное пособие.
Издательство Ассоциации строительных вузов 2014, 353 с. ISBN 978-5-93093-984-2
9) И.И. Гальперин, Н.Г. Домбровский. Строительные машины, Учебник для вузов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. школа, 1980г. — 344 с.
10) Добронравов С.С. Строительные машины и оборудование: Справочник для строит. спец.вузов и инж.-техн. работников. М.: Высш. шк., 1991. 456. с.
11) Электромагнитный привод - современное состояние и перспективы развития/ П.В. Алексеев, О.В. Викторов, А.Н. Волков, И.Г. Ефимов/l Научно-технические ведомости СПбГТУ, №3 (17), 1999, с. 96-100.
12) Элементы гидропривода. (Справочник). Изд. 2-е, перераб. и доп. Абрамов Е. И., Колесниченко К. А., Маслов В. Т. Киев, «Техника», 1977. 320 с.
13) Гибридный экскаватор Komatsu [Интернет] // Оффициальный сайт: Компания по производству горной техники Komatsu. – Режим доступа: http://www.komatsuamerica.com/equipment/excavators/25001-70000lbs/hb215lc-1, свободный (дата обращения: 21.05.2017).
14) Кислицын А.Л. Синхронные машины. Учебное пособие по курсу «Электромеханика». – Ульяновск: УлГТУ, 2000. – 108 с. ISBN 5-89146-182-X.
15) Трансформаторы тока/В. В. Афанасьев, Н. М., Адоньев В. М., Кибель и др. — 2-е изд., перераб. и доп. — Л: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989. — 416 с.: ил. ISBN 5-283-04444-0.
16) Полупроводниковые выпрямители/ Беркович Е.; И., Ковалев В. Н„ Ковалев Ф: И. и др.; Под ред. Ф. И. Ковалева и Г. П. Мостковой. — 2-е, изд., переработ. М.: Энергия, 1978 — 448 с., ил.
17) Jesse Russel, Ronald Colin. Ионистор. Издат. книга по требованию, 2012, 110 с. ISBN 978-5-5128-8651-9.
18) Алиев И.И. Асинхронные двигатели в трехфазном и однофазном режимах. – М.: ИП РадиоСофт, 2004. – 128 с.: ил. ISBN 5-93037-125-3.
19) Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полюпроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие. – СПБ.: КОРОНА принт, 2001. – 320 с., ил. ISBN 5-7931-0158-6.
20) Терёхин В.Б.Моделирование систем электропривода в Simulink (Matlab 7.0.1): Т35 учебное пособие / В.Б. Терёхин; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. – Томск: Изд. Томского политехнического университета, 2010. – 292 с.ISBN 978-5 98298-587-3.
21) Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. – М.: ДМК Пресс; СПБ.: Питер, 2008. – 288 с.: ил. ISBN 5-94074-395-1 («ДМК Пресс»), ISBN 978-5-388-00020-0 («Питер»).
22) Tolbert L.M., Peterson W.A., Scudiere M.B., White C.P., Theiss T.J., Andriulli J.B., Ayers C.W., Farquharson G., Ott G.W., Seiber L.E. Electronic Power Conversion System for an Advanced Mobile Generator Set // IEEE Industry Applications Society Annual Meeting. – September 30–October 4, 2001. – Р. 1763–1768.
23) Высокоэффективная дизель-генераторная электростанция переменной частоты вращения на основе машины двойного питания / О.С. Хватов [и др.] // Приводная техника. 2010. №5. С. 14–19.
24) Герман-Галкин С.Г., Кардонов Г.А. Электрические машины: Лабораторные работы на ПК. – СПБ.: КОРОНА принт, 2003. – 256 с., ил. ISBN 5-7931-0203-5.