На правах рукописи НОСКОВ Владимир Николаевич СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ИНДУКТИВНЫЕ НАКОПИТЕЛИ ЭНЕРГИИ

На правах рукописи
НОСКОВ Владимир Николаевич
СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ИНДУКТИВНЫЕ НАКОПИТЕЛИ ЭНЕРГИИ
В ЭНЕРГОУСТАНОВКАХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
05.22.07 – «Подвижной состав железных дорог,
тяга поездов и электрификация»
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Ростов-на-Дону – 2010
2
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (РГУПС)
Научный руководитель: академик РАН, доктор технических наук,
профессор, заслуженный деятель науки РФ
КОЛЕСНИКОВ Владимир Иванович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
ПЕТРУШИН Александр Дмитриевич;
кандидат технических наук, доцент
ШЕВЛЮГИН Максим Валерьевич
Ведущая организация: государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования «Петербургский государственный
университет путей сообщения» (ПГУПС)
Защита состоится «29» декабря 2010 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.010.01 Ростовского государственного университета
путей сообщения (РГУПС) по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУПС.
Автореферат разослан « » ноября 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 218.010.01,
доктор технических наук, профессор
В.А. Соломин
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Широкомасштабное использование энерго- и ресурсосберегающих технологий и устройств является составной частью энергетической стратегии России до 2020 г. и государственной политики, направленной на устойчивое развитие хозяйственного комплекса нашей страны. В «Энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до 2010 года и перспективу до
2020 года» (утверждена распоряжением ОАО «РЖД» от 11.02.2008 г. № 269р)
отмечено, что «Электрифицированные железные дороги испытывают потребность в мощных накопителях электроэнергии для устойчивой реализации режимов рекуперации энергии подвижным составом, сглаживания суточной неравномерности потребления энергии, что, в конечном итоге, связано с экономией энергии на тягу поездов от 10-12 % (грузовое движение) до 15-30 % (пригородное движение)». Одной из приоритетных задач железнодорожного транспорта в вопросах энергосбережения согласно «Стратегическим направлениям
научно-технического развития ОАО «РЖД» на период до 2015 г.» (утверждены
Президентом ОАО «РЖД» 31.08.2007 № 964) является «широкое использование энергоемких накопителей энергии в основных технологических процессах
энергопотребления и генерации энергии», а также «использование достижений
в области сверхпроводимости».
В полной мере эти задачи могут быть реализованы путем разработки и
создания сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии (СПИН), в
которых сосредоточены новейшие достижения физики, химии, материаловедения, электротехники и преобразовательной техники. По сравнению с большинством других типов накопителей энергии, принципиально пригодных для эксплуатации в настоящее время, СПИН обладает целым рядом преимуществ. Использование СПИН в транспортных системах электроснабжения (как стационарных, так и автономных) уже в обозримом будущем позволит повысить
надёжность и эффективность их работы, улучшить качество электроэнергии,
приблизить режимы работы энергосистем к установившимся (за счёт демпфирования пиков и провалов энергопотребления), снизить потери электроэнергии.
4
Работы по СПИН ведутся практически во всех развитых странах мира,
где особое внимание уделяется их использованию для бесперебойного электроснабжения ответственных объектов. В мировой практике существуют проекты
использования СПИН как в составе электрических передач мощности автономных локомотивов, так и на подстанциях систем тягового электроснабжения железных дорог.
Для реализации этих масштабных проектов требуется решить ряд задач, в
числе которых находится создание методологии синтеза систем электроснабжения со СПИН транспортного назначения и обоснование эффективных сфер
их применения.
Возросшее количество проектов по использованию СПИН в системах
энергоснабжения подтверждает актуальность данного исследования.
Цель работы состоит в научном обосновании путей повышения эффективности работы энергоустановок железнодорожного транспорта за счёт расширения области применения СПИН транспортного назначения, определении
технологических процессов для использования СПИН, разработке метода расчета требуемой энергоёмкости накопителя, совершенствовании конструкции
сверхпроводниковых (СП) магнитов, разработке алгоритмов функционирования и схемных решений.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:
- выполнен аналитический обзор научно-технических достижений в области
создания и использования накопителей энергии на транспорте;
- определены направления наиболее актуальных теоретических и экспериментальных исследований СПИН транспортного назначения;
- составлены математические модели электроэнергетических установок, содержащих в своём составе СПИН;
- разработаны методики определения необходимой энергоёмкости СПИН;
- разработаны схемы электрического сопряжения СПИН с существующими
на железнодорожном транспорте электроэнергетическими установками;
- разработаны технические решения в части конструкции СПИН транспортного назначения;
5
- оценена достоверность теоретических положений при помощи математического и физического моделирования;
- созданы методики синтеза электроэнергетических установок, содержащих
в своём составе СПИН, отвечающих нуждам железнодорожного транспорта;
- определена технико-экономическая эффективность использования СПИН
в технологических процессах железнодорожного транспорта;
- изготовлен и внедрен экспериментальный образец СПИН.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием математических методов (интегральное и дифференциальное исчисление, математическая статистика), теории электротехники, теории автоматического управления, методов анализа и синтеза с использованием структурных схем, метода передаточных функций, методов экономического анализа,
экспертных методов. Экспериментальные исследования проводились на физических моделях, а также в виде компьютерного моделирования и вариантных
расчетов (при поддержке их математической средой Mathcad).
Научная новизна работы заключается в:
- методиках определения необходимой энергоёмкости СПИН, основанной
на анализе режимов работы тепловоза или тяговой подстанции;
- создании новых схем электрического сопряжения СПИН с существующими на железнодорожном транспорте электроэнергетическими установками;
- разработке технических решений по конструкции СПИН транспортного
назначения;
- создании математических моделей электроэнергетических установок, содержащих в своём составе СПИН;
- результатах натурных экспериментальных исследований физических моделей электроэнергетических установок со СПИН транспортного назначения.
Практическая ценность работы. Применение разработанных схем по
сопряжению СПИН с электроэнергетическими системами в сочетании с решениями по их конструкции позволит добиться сокращения расходов железнодорожного транспорта на электроэнергию, повысить надёжность и качество электроснабжения. Например, расчетный годовой экономический эффект (в ценах
6
2007 года) от применения СПИН на тяговых подстанциях переменного тока составляет 4,643 млн. руб.
Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы в ОАО «РЖД» при разработке технических предложений и требований к СПИН бортового и стационарного исполнения, при изготовлении и в
ходе испытаний макетного и экспериментального образцов СПИН транспортного назначения для систем автономного (СПИН-тепловоз) и стационарного
(подстанция) тягового электроснабжения, при разработке и внедрении аванпроекта СПИН в системах электроснабжения потребителей ОАО «РЖД», а также в
учебном процессе РГУПС.
Достоверность полученных результатов работы подтверждается корректностью использования математического аппарата; удовлетворительным
совпадением расчётных и экспериментальных характеристик, полученных при
математическом и физическом моделировании, для проверки полученных теоретических положений.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на: Технико-экономическом совете Главного управления
локомотивного хозяйства МПС России 27.05.1993г.; заседаниях топливнотеплотехнической секции Научно-технического совета МПС России от
22.04.1994г. и от 31.05.2000г. (протокол № 6); 59-й вузовской научнотеоретической
конференции
профессорско-преподавательского
состава
«Транспорт-2000» (апрель 2000 г., РГУПС, г. Ростов-на-Дону); Четвёртом международном симпозиуме «Электрификация и организация скоростных и тяжеловесных коридоров на железнодорожном транспорте» (25 октября 2007 г.,
ПГУПС, г. Санкт-Петербург); Первой международной конференции «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (2-3 апреля 2008 г.,
Экспериментальное кольцо ОАО «РЖД», г. Щербинка); Пятой Международной
научно-практической конференции «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте» (13-15 октября 2010 г., г. Ростов-на-Дону); совместном заседании
кафедр «Автоматизированные системы электроснабжения», «Локомотивы и
локомотивное хозяйство» и «Электрический подвижной состав» РГУПС.
7
Публикации. По результатам выполненных исследований и материалам
диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 3 патента.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех
глав, заключения, списка использованных источников и приложений.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и
задачи исследований, перечислены основные результаты, выносимые на защиту, определена их научная новизна и практическая значимость.
В первой главе выполнен анализ научно-технических достижений в области использования СПИН на железнодорожном транспорте и рассмотрены возможные решения проблемы применения СПИН на тяговом подвижном составе и
в системах тягового электроснабжения. Отмечается, что проблемой использования накопителей энергии (НЭ), в том числе СПИН, на железнодорожном транспорте, занимаются учёные МГУПС, ВНИИЖТ, РГУПС, ПГУПС, Радомского политехнического института (Польша). Ведущими организациями по разработке
СПИН различного назначения в России являются РНЦ «Курчатовский институт»
и ФГУП ГНЦ РФ «ТРИНИТИ» (г. Троицк). Однако наблюдается недостаток работ, рассматривающих вопросы синтеза систем электроснабжения со СПИН
транспортного назначения.
По результатам анализа определены области применения накопителей энергии в энергоустановках железнодорожного транспорта. Принципиальное назначение НЭ в этих энергоустановках, как стационарных (установленных на подстанциях), так и автономных (расположенных на борту локомотивов с электрической
передачей мощности), – быть демпфирующими элементами между генерирующими агрегатами и потребителями, работающими в нестационарных режимах.
СПИН предлагается использовать на борту автономных локомотивов
(тепловозов, газотурбовозов) для снижения установленной мощности энергоустановки и обеспечения рекуперации, повышения экологических параметров
автономной тяги; на тяговых подстанциях (ТП) – с целью выравнивания графика потребления электроэнергии из энергосистемы и обеспечения рекуперации
электроподвижным составом; в системах связи, автоматики, телемеханики и
8
обработки информации – как дополнительный источник бесперебойного питания и кондиционирования электрической энергии для ответственных потребителей.
Сформулированы технические требования к СПИН транспортного назначения. В частности, предложено использовать разновидность тороидальной обмотки
сверхпроводникового (СП) магнита без магнитного поля рассеяния с однородной
плотностью накапливаемой энергии, отвечающую требованиям места расположения и технологичности изготовления.
Вторая глава посвящена методике определения требуемой энергоёмкости СПИН транспортного назначения. Методика определения необходимой энергоёмкости СПИН для маневровых тепловозов получена на основе данных исследований типовых режимов их работы (манёвры толчками, грузовой двор, пассажирская
станция, горка, вытяжка), которые представляют последовательность перехода
с позиции на позицию дизеля маневрового тепловоза за 1 час работы.
Приняв, что назначением бортового СПИН является обеспечение работы
дизель-генераторной установки (или установки с другим первичным тепловым
двигателем) в неизменном режиме (т.е. с постоянной среднеэксплуатационной
мощностью, вырабатываемой генератором), то в случае необходимости часть
мощности на тягу, сверх вырабатываемой генератором, берётся из СПИН. Заряд СПИН может осуществляться предварительно (до поездки), во время движения (если на тягу необходима мощность, меньшая вырабатываемой генератором), а также при торможениях – от тяговых электродвигателей (ТЭД), работающих в генераторном режиме.
На основе принятых допущений разработана математическая модель
энергосиловой установки (ЭСУ) маневрового тепловоза со СПИН, описанная
системой уравнений (1), и при рассмотрении в первом приближении режимов работы данной ЭСУ как квазистатических, реализована автором в виде
алгоритма и программы расчёта SPINOTEP.
По результатам проведения вариантных расчётов, в которых задавались различные значения мощности генератора (при максимальных токах и
напряжениях), тока начального заряда СПИН, темпа нарастания тока СПИН,
а также максимальных токов обмоток якоря и возбуждения ТЭД, были опре-
9
делены сочетания перечисленных величин, обеспечивающие полную реализацию типовых режимов маневровой работы с условием их цикличной
повторяемости (подтверждение – токи СПИН в начале и конце режима различаются менее, чем на 10 %).
eM  Ce nM ФM ;
 M  C i Ф  вычисляемый;
M aM M
 В
 M З  f (t )  заданный;

u  3(e  i r  L diaM )  ТЭД  двигатель;
M
aM aM
aM
 G
dt

diaM
uG  3(eM  iaM raM  LaM
)  ТЭД  генератор;
dt


diaM
)  противовключ.;
uG  3(eM  iaM raM  LaM
dt

2iaM  iaG  iC  0;

iвM  f (ФM , iaM );
 P1G  uG  i aG ;

 P1M  2uG  iaM ;

L i2
WC  C C ,
2


где iaM - ток якоря ТЭД, А;
iaG - ток якоря генератора,
А;
iвM - ток возбуждения ТЭД, А;
nM - частота вращения ротора ТЭД, об/мин;
uG - напряжение генератора, В;
eM - ЭДС ТЭД, В;
raM - актив. сопротивление обмотки якоря ТЭД, Ом;
Ce , CM - постоянные ТЭД,
причём Ce  pN (60a); CM  Ce / 2 ;
iC - ток СПИН, А;
LC - индуктивность СПИН, Гн;
P1G - электрическая мощность генератора, Вт;
ФM - магнитный поток ТЭД, Вб;
P1M - суммарная эл. мощность ТЭД тепловоза, Вт;
М - электромагнитный момент одного ТЭД, Н *м;
WC - энергия, запасённая в СПИН, Дж;
LaM - индуктивность обмотки якоря ТЭД.
(1)
Алгоритм расчёта необходимой энергоёмкости СПИН для тепловоза был сформулирован следующим образом. Для заданного режима работы длительностью 0, t ,
для которого известна зависимость P1М (t ) , при выбранном значении мощности генератора P1G const , планируемого к установке на СПИН-тепловозе для работы с постоянной мощностью, требуется определить начальный заряд (энергоёмкость) W Знач бортового СПИН на момент времени t 0 , достаточный для реализации заданного режима работы. При этом учитывается, что некоторые типовые режимы работы для маневрового
тепловоза требуют последовательной реализации нескольких аналогичных, но не
тождественных циклов чередования тяги и торможения.
нач
Для определения WСПИН
, а также знания достаточной величины энергоёмкости
СПИН в любой момент времени при реализации требуемого режима следует, задавшись значением энергоёмкости СПИН на конец выбранного режима работы СПИНкон
кон
 0 , проводить интегрирование площадей, огранитепловоза WСПИН
, например WСПИН
ченных графиками P1М (t ) и P1G const от конца временного интервала t к его началу t 0 .
10
Причём площади криволинейных трапеций, лежащих выше PГconst , вычитать из
кон
WСПИН
, а площади криволинейных трапеций, лежащих ниже P1G const , складывать с
кон
WСПИН
. В ходе такого интегрирования и суммирования можно определить в каждый
момент времени величину энергоёмкости СПИН, а также расчётное значение начальнач
ной энергоёмкости СПИН WрасчётСПИН
. При этом, если минимальная рассчитанная энерmin
гоёмкость СПИН в ходе реализации выбранного режима будет WрасчётСПИН
 WМО , то
нач
min
требуется коррекция WрасчётСПИН
на WМО – величину расхождения WрасчётСПИН
и WМО .
Примеры расчётов графиков изменения энергоёмкости бортового СПИН маневрового
тепловоза по данной методике показаны на рис. 1.
120
Рис. 1. Расчётные
графики изменения энергоёмкости
бортового
СПИН маневрового тепнач
ловоза (для WСПИН
=100
МДж и P1G const = 400 кВт)
при реализации типовых
режимов работы:
100
Wспин, МД ж
80
тяга
60
40
20
торможение
0
0
200
400
600
800
1000
1200
t, с
а
115
110
а) «грузовой двор»,
тяга
Wспин, МД ж
105
б) «манёвры толчком»,
100
95
90
в) «вытяжка из парка в
торможение
85
80
0
50
100
150
200
250
300
350
парк»
t, с
б
120
100
Wспин, МДж
торможение
80
тяга
60
40
20
0
0
100
200
300
400
500
600
t, с
в
Данные расчёта энергоёмкости СПИН по предлагаемой методике и мощности
дизель-генератора для работы в неизменном режиме для базового тепловоза ТЭМ2
11
хорошо согласуются с оценками отечественных и зарубежных специалистов для маневрового тепловоза и дизель-поезда близкой мощности.
Достаточную энергоёмкость СПИН, устанавливаемого на ТП, предлагается определять по выражению (2), отражающему неопределенность во времени порядка чередования максимумов и минимумов энергопотребления в системе тягового электроснабжения:
WСПИН  WМО  WСПИН расч  WМО  WРmax  WЗmax ,
(2)
где WРmax – максимальное количество энергии, которое необходимо отдать СПИН за цикл монотонного разряда;
WЗmax – максимальное количество энергии, которое необходимо накопить
(принять) СПИН за цикл монотонного заряда;
WМ О – «мёртвый» объём или минимальное количество энергии, сохраняю-
щееся в СПИН при самом глубоком разряде, который может быть во время эксплуатации (обычно 10-15 % от расчётной энергоёмкости СПИН);
WСПИН расч - расчётная энергоёмкость СПИН.
При выводе выражения (2) были использованы следующие посылки.
Энергию, без учета потерь, циркулирующую за рассматриваемый интервал
времени в накопителе энергии и электроподвижном составе, можно представить выражением:
t
t
t
t
PC t   PП ( )d   PГ ( )d   PЗ ( )d   PР ( )d ,
0
0
0
(3)
0
где 0, t  – рассматриваемый интервал времени;
PC – постоянная мощность, потребляемая от трансформатора;
PП ( )
– мощность, потребляемая электроподвижным составом;
PГ ( )
– мощность рекуперации (при ее наличии);
PЗ ( )
– мощность, накапливаемая в СПИН при заряде;
PР ( ) – мощность, отдаваемая СПИН при разряде.
t
t
0
0
Полагая, что  PЗ ( )d   PР ( )d , то при отсутствии рекуперации постоянная мощность, потребляемая от трансформатора:
12
t

PC    PП ( )d  / t .
0

f
0
Введём обозначение f  
f 0
f 0
(4)
, где f  PП ( )  PC ( ) .
На графике активного тока ТП, который можно рассматривать как график
изменения активной мощности (принимая неизменным напряжение на шинах),
площади всех участков, лежащих выше уровня PC  сonst , соответствуют энергии, отдаваемой накопителем:
WP 
  PП ( )  PC ( )d    fd ,
K 0
n t K 1
n t K 1
K 0 t K
(5)
tK
а площади участков, лежащих ниже уровня PC  сonst , соответствуют
энергии, потребляемой накопителем
WЗ 
  PС ( )  PП ( )d    ( f )d ,
K 0
n t K 1
K 0 t K
n t K 1
(6)
tK
где t K , t K 1  – интервалы времени заряда или разряда в пределах 0, t .
Для определения энергоемкости СПИН необходимо построить график
изменения его энергии относительно некоторого начального значения энергии
W 0 , аккумулированной (запасенной) в СПИН до начала работы, в соответствии
с полученным и обработанным графиком нагрузки тяговой подстанции (рис. 2).
Следует задаться требуемым графиком потребления активной мощности ТП от
энергосистемы PС (t ) , при этом возможны следующие варианты: 1) его ступенТП
чатый график 3 строится с условием не превышения WСПИН
выбранной величи-
ны (в данном случае 100 ГДЖ, график 4), 2) на всем интервале PС (t ) =const
ТП
(график 5 и соответствующий ему график WСПИН
- 6), 3) ступени графика PС (t )
равны среднему значению мощности ТП за конкретный отрезок времени
ТП
(например, сутки) (график 7 и соответствующий ему график 8 для WСПИН
).
Выражение (2) позволяет рассчитывать с удовлетворительной точностью
достаточную энергоёмкость СПИН для полученного семейства графиков
WСПИН (t ) по любому из них. Расчёты показали, что при условии выполнения всех
заявленных функций СПИН для ТП постоянного тока в зависимости от профиля пути достаточная энергоёмкость СПИН лежит в пределах 4000-20000 МДж
13
(1,11-5,55 МВт*ч), а переменного тока – 20000-80000 МДж (5,55-22,22 МВт*ч)
на подстанцию при соответствующем прогнозировании электропотребления.
1 – данные измерений мощности на ТП «Восточная» за 10 дней.
2 – обработанные данные измерений мощности как скользящее среднее с параметром 10
3,5,7 - Pc (t )
4,6,8 - Wспин (t )
Рис. 2. График потребления активной мощности ТП «Восточная» СКЖД
и варианты графиков изменения запаса энергии в СПИН
В третьей главе рассмотрены схемные решения для использования СПИН
в системах автономного и тягового электроснабжения на основе преобразователей постоянного напряжения, включающие функции устройства инвертирующего типа.
Один из вариантов предложенного и запатентованного автором преобразователя представлен на рис. 3, где обозначено: 1-1,…,1-n – рабочие управляемых вентили, например, запираемые тиристоры, 2-1,…,2-n – секции обмотки СПИН, 3-1,…,3n основные вентили, например, полупроводниковые диоды, 4-1,…,4-n – обратные
управляемые вентили, 5 – источник постоянного напряжения, 6 – нагрузка, 71,…,7- n – шунтирующие вентили,
8-1,…,8- n – входные управляемые вентили, 9-
1,…,9-n – дополнительные обратные управляемые вентили, 10 – разрядный управляемый вентиль, 11 – сопротивление. Данная схема учитывает возможность секционирования обмотки СПИН (направления токов в секциях показано стрелками).
Алгоритм функционирования этого преобразователя (рис. 3), например,
для режима дополнительного накопления избыточной энергии нагрузки 6 в одной (i-той) секции обмотки СПИН 2-i, выглядит следующим образом. Одно-
14
временно включаются дополнительный обратный управляемый вентиль 9-i и
рабочий управляемый вентиль 1-i, при этом выключается входной управляемый
вентиль 8-i. Ток от нагрузки 6, работающей в генераторном режиме, протекает
через дополнительный обратный вентиль 9-i, через индуктивный накопительный элемент 2-i и соответствующий включенный рабочий управляемый вентиль 1-i. Все включенные обратные вентили 4-i при этом выключаются. После
окончания процесса накопления энергии напряжение между выходными выводами снижается до нуля и обратный управляемый вентиль 4-i включается, переводя индуктивный накопительный элемент 2-i в режим сохранения энергии, а
рабочий управляемый вентиль 1-i выключается.
Рис. 3. Схема электрическая
принципиальная
силовой части преобразователя
постоянного
напряжения для связи
СПИН с системой электроснабжения постоянного тока
(разработана автором)
Сочетания включённых и выключенных управляемых ключей (табл. 1)
преобразователя обеспечивают возможные режимы его функционирования.
Таблица 1
Состояния ключей преобразователя
№
режима
Наименование режима
Состояние управляемых ключей
(обозначения – по рис. 3)
1
4
8
9
10
1
Заряд СПИН от сети
1
0
1
0
0
2
Разряд СПИН на нагрузку
0
0
0
0
0
3
Хранение тока в СПИН, с частичной
отдачей энергии в нагрузку
Заряд СПИН только от рекуперирующей
нагрузки (сеть отключена)
Одновременный заряд СПИН
от рекуперирующей нагрузки и от сети
Аварийный вывод энергии
на балластное сопротивление
0
1
0
0
0
1
0
0
1
0
1
0
1
1
0
0
0
0
0
1
4
5
6
15
Сформулированные требования к СПИН для железнодорожного транспорта
послужили основой для разработки технических решений в части конструкции СПмагнита и системы его криогенного обеспечения. В качестве прототипа бортового
СПИН была выбрана тороидальная магнитная система с D-образной формой витка
и вытянутой конфигурацией обмотки в виде цилиндра длиной, равной максимальному размеру выделенного в габарите тепловоза объема, и диаметром,
равным минимальному размеру этого объема (рис. 4).
поперечное сечение
план
Рис. 4. Конструкция СПИН энергоемкостью 100 МДж
(разработана с участием автора)
Отличительными особенностями и достоинствами предложенной конструкции являются: однородная плотность запасаемой энергии в объеме СП-магнита;
практическое отсутствие магнитных полей рассеяния (на расстоянии 0,3 м от внешней оболочки криостата величина индукции магнитного поля не превышает 0,01
Тл); высокая технологичность изготовления обмотки (в виде сборки галет из
фольгированных стеклотекстолитовых листов, с приклеенными к ним витками);
равномерное перераспределение механических напряжений по сечению магнита
(что практически устраняет возможность скачкообразного движения витков под
действием пондеромоторных сил, снижает вероятность тренинга, повышает
устойчивость и надежность работы магнита); простота и экономичность косвенного способа охлаждения (в отличие от погружного и циркуляционного); обеспечение защиты в аварийных ситуациях без использования разрядного сопротивления (путем форсированного перевода обмотки в нормальное состояние с
помощью системы нагревателей). Рассчитаны основные технические характеристики перспективных СПИН для размещения на борту тепловозов (табл. 2).
16
Таблица 2
Основные технические характеристики перспективных СПИН
бортового исполнения (для тепловозов и газотурбовозов)
Параметр
Энергоемкость
Масса полная (СПИН в сборе)
Габариты криостата: -длина
-внешний диаметр
Максимальная индукция
магнитного поля
Материал сверхпроводника
Ток
Суммарная мощность
криогенных потерь
Ед.
изм.
МДж
т
м
Тип тепловоза
Магистральный,
в габаритах
Маневровый
одной 8-осного
секции
вагона
50
100
200
410
1000
16,6
28,8
48,9
108,0
103,9
3,5
9,2
9,0
15,4
8,3
1,6
1,6
1,6
1,6
2,9
Тл
7,0
4,9
7,0
7,0
7,3
кА
Nb-Ti
3,0
Nb-Ti
1,0
Nb-Ti
3,0
Nb-Ti
3,0
Nb3Sn
7,0
Вт
18,5
35,5
50
75
288,7
Данные технические решения получили свое развитие в конструкции
СПИН для стационарного использования, СП-магнит которых представляет собой тороидальную распределенную обмотку, состоящую из нескольких идентичных клиновидных секций (рис. 5).
Рис. 5. Магнитная система
стационарного СПИН (для
ТП) тороидальной конструкции с равномерным распределением энергии в объёме:
А – общий вид;
Б и В – форма и поперечное
сечение одного сектора
(разработанный и изготовленный
с участием автора экспериментальный образец СПИН имеет
форму такого сектора)
Результаты расчетов основных технических характеристик перспективных
СПИН стационарного исполнения представлены в таблице 3. Эта конструкция
обеспечивает постоянство модуля индукции магнитного поля внутри тороидальной обмотки с точностью порядка 1 %, а рассеянное поле на расстоянии 0,5
м от обмотки не отличается от естественного магнитного поля Земли. Достоинствами данных конструкций СПИН являются также их высокая заводская го-
17
товность и возможность вписывания (при транспортировке) в железнодорожные габариты.
Таблица 3
Основные технические характеристики перспективных СПИН
для стационарного использования
Параметр
Система электроснабжения
Тип обмотки
Энергоемкость
Максимальная мощность
Число секторов тороида
Ед. измер.
Значение
тяговая
нетяговая
Тороид с распределенной обмоткой
кВт*ч (МДж)
1000 (3600)
27,7 (100)
МВт
300
8,3
штук
48
12
Внешний диаметр обмотки
(при номинальном поле 5 Тл)
Высота обмотки
м
6
2,1
м
6
1,2
Диаметр криостата
м
7,5
2,6
Высота криостата
м
10
2,6
«Холодная» масса обмотки
т
250
4,3
В четвертой главе рассматривается экспериментальное исследование физической модели ЭСУ тепловоза со СПИН, принципиальная схема которой показана на рис. 6, а также результаты испытаний экспериментального образца
СПИН энергоемкость 1,5 МДж для стационарного применения.
Для создания модели ЭСУ тепловоза со СПИН было использовано следующее основное, вспомогательное и измерительное оборудование:
1) мотор-генератор (моделирующий дизель-генераторную установку) –
генератор постоянного тока (Г1) типа НД-5000/10000 с приводным асинхронным двигателем (АД1) типа АК-104-10;
2) СП-магнитная система в криостате, моделирующая СПИН максимальной энергоемкостью 1000 кДж;
3) электродвигатель (ТД) типа НД-750/1500 (условно называемый «тяговым») – моделирует работу тягового двигателя;
4) нагружающее устройство, состоящее из электродвигателя (ДТ) типа
НД-500/250 (работающего в режиме торможения противовключением), который питается от вспомогательного генератора постоянного тока (Г2) типа АНД750/1500 с приводным асинхронным двигателем (АД2) типа А201-4;
18
5) реверсора, состоящего из группы контакторов (К1 и К2), обеспечивающих протекание тока в СПИН в одном направлении при любом режиме его
работы (размыкание одной группы контакторов производится только после замыкания другой группы);
6) система криообеспечения (на рис. 6 не показана);
7) автоматизированная система контроля, измерения и управления
(АСКИУ) работой стенда, выполненная на основе интерфейсов в стандарте
«КАМАК» и двух ПВМ (на рис. 6 не показана);
8) система электропитания (на рис. 6 не показана) АД (трехфазная) и независимых обмоток возбуждения (ОВ) всех машин постоянного тока;
9) аварийной балластное сопротивление (RБ ), измерительные шунты (ШИ
и ШС), а также сильноточные ключи (В1, В2 и К3).
Рис. 6. Принципиальная схема физической модели
энергосиловой установки тепловоза со СПИН
Результаты экспериментов на физической модели тепловоза со СПИН
(некоторые данные – на рис. 7 и 8) хорошо коррелируют с данными расчетов.
Рис. 7. Изменение
мощности
СПИН (Pспин) и
его тока (Iсп) при
реализации типового режима работы «маневры
толчком» на физической модели
ЭСУ тепловоза со
СПИН
19
Рис. 8. Изменение
мощности
СПИН (Pсп1) и
оборотов ТЭД (n)
при реализации
типового режима
работы «вытяжка
из парка в парк»
на
физической
модели ЭСУ тепловоза со СПИН
В приложении приведены технико-экономические оценки использования
СПИН на железнодорожном транспорте (тяговой подстанции и ответственного нетягового потребителя, а также тепловозов). Оценки выполнены в соответствии с
методические рекомендации по определению экономической эффективности
мероприятий научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте.
Например, рассчитано, что срок окупаемости капитальных затрат (в текущих ценах на сверхпроводники и криогенную технику) от внедрения СПИН
на ТП составит около 10 лет. В случае использования СПИН для защиты электроприёмников группы А I-й категории срок окупаемости капитальных затрат
от внедрения СПИН на ДЦУП составит 5,2 года. Применение СПИН на тепловозах позволяет получить (по оценкам) годовую экономию топлива для маневрового тепловоза 30-35 % и для магистрального тепловоза 8-12 %; уменьшить
установленную мощность дизель-генератора маневрового тепловоза и дизельпоезда по сравнению с базовой моделью в 2…3 раза.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Сформулированы основные функции СПИН в системах тягового электроснабжения, заключающиеся в способности выравнивания графика потребления электроэнергии из энергосистемы и обеспечении рекуперации энергии
электроподвижным составом в накопитель, установленный на тяговой подстанции. Аналитическим путем получены соотношения, позволяющие рассчитывать
энергоемкость СПИН, и разработаны технические требования к СПИН транспортного назначения.
20
2. Анализ режимов работы СПИН в составе энергоустановок тепловоза и
тягового электроснабжения позволил предложить схемы его сопряжения с ЭСУ
тепловоза или тяговой электрической сетью на основе преобразователя постоянного тока, защищенные патентом на изобретение.
3. Предложено, что важнейшей функцией СПИН, размещенного на тепловозе с электрической передачей, является выравнивание режима работы дизель-генераторного агрегата, причем заряд СПИН может осуществляться как
предварительно до начала движения, так и при движении локомотива. Это позволяет повысить экономическую эффективность железнодорожных перевозок
на тепловозной тяге.
4. В результате выполненных исследований разработана методика расчета требуемой энергоемкости СПИН для объектов железнодорожного транспорта. Выполнен расчет энергоемкости СПИН для маневрового тепловоза и тяговой электроподстанции.
5. Исследования позволили создать математическую модель электрической передачи мощности постоянно-постоянного тока автономного локомотива, оснащенной СПИН, для анализа процессов в ней, учитывающую взаимосвязи между токами якорей тяговых электродвигателей и генератора тепловоза, а
также типовые режимы работы маневрового локомотива.
6. Физическое моделирование и экспериментальные исследования энергосиловой установки маневрового тепловоза с электропередачей и СПИН подтвердили результаты теоретических исследований.
7. Разработан, изготовлен и испытан экспериментальный образец СПИН
для систем тягового энергоснабжения с энергоёмкостью 1,5 МДж (0,42 кВт *ч),
рабочим током до 10 кА при напряжении до 5 кВ (рис. 5, Б и В). Результаты
экспериментальных испытаний при криогенных температурах совпали с данными расчетов с достаточной степенью точности (расхождение не более 5%).
8. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования, инженерные и технико-экономические расчеты свидетельствуют об эффективности применения СПИН на тепловозах с электрической передачей, тяговых подстанциях и ответственных тяговых железнодорожных потребителях электроэнергии.
21
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
I. Статьи в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Лутидзе Ш.И. Экспериментальная модель трехфазного криотронного
преобразователя на 50 Гц./ Ш.И. Лутидзе, В.Е. Игнатов, И.В. Карлаш, В.Н.
Носков // Электричество, 1990. – № 4. – С. 55-58.
2. Носков В.Н., Пустоветов М.Ю., Чирков В.К. Об энергоёмкости накопителей энергии для стационарного размещения на тяговых подстанциях / В.Н.
Носков, М.Ю. Пустоветов, В.К Чирков // Вестник РГУПС, 2008. – №1 – С. 120127.
3. Носков В.Н. К вопросу использования сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии в железнодорожной тяге / В.Н. Носков // Вестник
РГУПС, 2008. –№3 – С. 54-59.
4. Носков В.Н.. Об энергоёмкости накопителя энергии для тепловоза /
В.Н. Носков, М.Ю. Пустоветов // Вестник ВНИИЖТ, 2008. – № 5 – С. 42-44.
5. Носков В.Н. Силовой статический преобразователь для использования
в составе электрической передачи мощности тепловоза со сверхпроводниковым
индуктивным накопителем энергии / В.Н. Носков // Вестник РГУПС, 2008. –
№4 – С. 41-47.
II. Статьи и доклады:
6. Быкадоров А.Л. Обеспечение безопасности при использовании сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии в системе тягового электроснабжения./ А.Л. Быкадоров, Т.А. Заруцкая, В.Н. Носков и др. // Труды 59-й вузовской научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского
состава «Транспорт-2000». – Ростов н/Д: РГУПС, 2000. – С. 129.
7. Пустоветов М.Ю. О характеристиках сверхпроводниковых индуктивных
накопителей энергии (СПИН) для стационарного размещения на тяговых подстанциях /М.Ю. Пустоветов, В.Н. Носков // Материалы 4-го международного симпозиума
Eltrans’2007 «Электрификация и организация скоростных и тяжеловесных коридоров на железнодорожном транспорте». – СПб: ПГУПС, 2007. – С. 82.
8. Пустоветов М.Ю. Об энергоёмкости накопителя энергии для размещения на борту маневрового тепловоза /В.Н. Носков, М.Ю. Пустоветов // Инноваци-
22
онные технологии и процессы производства в машиностроении: Междунар. сб.
науч. тр. – Ростов н/Д: Рост. гос. акад. с.-х. машиностроения, 2008. - С. 83-87.
9. Носков В.Н. Перспективное использование сверхпроводниковых индуктивных накопителей (СПИН) для усиления системы тягового электроснабжения
постоянного тока / В.Н. Носков, М.Ю. Пустоветов // Труды Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития транспортного
комплекса: образование, наука, производство», октябрь 2009 г. – Рост. гос. ун-т. путей сообщения. Ростов н/Д, 2009. – С. 371-372.
10. Колесников В.И. Использование СПИН в системах электроснабжения
устройств ЖАТ / В.И. Колесников, В.Н. Носков // Сборник докладов Пятой Международной научно-практической конференции «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте», октябрь 2010 г. – Рост. гос. ун-т. путей сообщения. Ростов н/Д, 2010. – С. 174-176.
III. Патенты
10. Патент № 2007305 РФ. Силовая установка транспортного средства.
МПК C1 5 B 60 L 11/06 / В.Н. Носков, В.Д. Карминский, К.Б. Комиссаров / Заявлено 27.06.1991 г.; опубликовано 15.02.1994 г. Бюл. № 3.
11. Патент № 2060187 РФ. Электромагнитный ускоритель-замедлитель вагонов. МПК C1 6 B 61 K 7/12 / В.Н. Носков, В.Д. Карминский, В.Н. Иванченко/ Заявлено 24.10.1990; опубликовано 20.05.1996 г. Бюл. № 14.
12. Патент № 2370875 РФ. Преобразователь постоянного напряжения. МПК
Н 02 М 3/135 / Е.Ю. Клименко, В.Н.Носков, А.Е. Полтанов, Е.П. Полулях, М.Ю.
Пустоветов, В.Н. Рындин, Н.С Флегонтов./ Заявлено 17.04.2008; опубликовано
20.10.2009г.
VI. Учебные пособия
13. Курочка А.Л. Использование сверхпроводимости в электрических
устройствах железнодорожного транспорта: Учеб. Пособие. / А.Л. Курочка,
И.В. Карлаш, В.Н. Носков / Ростов н/Д, РИИЖТ, 1988. – 28 с.
Автор выражает благодарность к.т.н., доценту Пустоветову М.Ю. за консультации и помощь при выполнении диссертационной работы.
23
Носков Владимир Николаевич
Сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии
в энергоустановках железнодорожного транспорта
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Подписано к печати 26.11..2010 г.
.Формат 6084/16. Бумага офсетная.
Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0.
Тираж 100. Заказ №
.
Ростовский государственный университет путей сообщения
Ризография РГУПС
Адрес университета: 344038, Ростов-на-Дону,
пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2