автореферат... - Петербургский государственный

На правах рукописи
Середа Евгений Геннадьевич
Разработка технических решений по
использованию сверхпроводниковых
индуктивных накопителей в энергетической
системе перспективного газотурбовоза
Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Санкт–Петербург 2010
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном
учреждении высшего профессионального образования
«Петербургский государственный университет путей сообщения»
Научный руководитель:
доктор технических наук, доцент
Никитин Виктор Валерьевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Мазнев Александр Сергеевич
кандидат технических наук, доцент
Лупкин Иван Дмитриевич
Ведущая организация:
Государственное образовательное
учреждение высшего профессионального
образования «Ростовский
государственный университет путей
сообщения»
Защита диссертации состоится «23» декабря 2010 г. в 15 час. 30 мин.
на заседании диссертационного совета Д218.008.05 при ФГОУ ВПО
«Петербургский государственный университет путей сообщения» по
адресу:
190031, г. Санкт–Петербург, Московский пр., 9, ауд. 5–407.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО
«Петербургский государственный университет путей сообщения»
Автореферат разослан «22» ноября 2010г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
д.т.н., профессор
В. А. Кручек
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы: С общемировым ростом цен на
энергоносители проблема снижения потерь при преобразовании,
распределении и потреблении энергии становится приоритетным
направлением развития многих областей промышленности и секторов
экономики, в том числе и транспортной индустрии, как одной из наиболее
энергоемких отраслей экономики. В связи с этим актуальной задачей в
сфере транспортной энергетики является сокращение расхода топлива
автономными транспортными средствами, к которым предъявляется ряд
жестких требований: высокая экономичность, экологичность, надежность,
возможность работы на дешевых видах топлива, низкая стоимость
обслуживания, высокие массогабаритные показатели. Поэтому при
создании перспективных мощных скоростных автономных локомотивов
(6÷10 МВт) весьма актуальна проблема применения газотурбинных
двигателей (ГТД), имеющих следующие основные преимущества перед
дизелем: существенно лучшие массогабаритные показатели, высокая
ремонтопригодность, дешевое топливо и меньший расход смазки, меньше
вредных выбросов в атмосферу.
Применение ГТД так же позволит согласовать тяговые
характеристики автономного и электрического подвижного состава по
мощности и скорости.
Вместе с тем ГТД присущи значительные недостатки: существенная
зависимость экономичности от мощности и частоты вращения, большой
расход топлива в режиме холостого хода. Одним из путей решения
проблемы по устранению отмеченных выше недостатков ГТД является
использование накопителей энергии.
Поэтому при проектировании и создании газотурбовозов проблема
увеличения эксплуатационного КПД в режиме долевых тяговых нагрузок
за счет применения накопителя энергии является актуальной.
Цель работы: разработка принципов построения и способов
управления электроэнергетической системой на основе накопителей
энергии для повышения экономичности первичного двигателя
перспективного газотурбовоза.
Объект
исследования:
электроэнергетическая
установка
перспективного
автономного
транспортного
средства
со
сверхпроводниковым индуктивным накопителем энергии (СПИН) и
газотурбинным первичным двигателем.
Предмет исследования: режимы работы, способы управления,
массогабаритные и энергетические параметры электротехнического
комплекса со СПИН, обеспечивающего повышение экономичности
газотурбинного двигателя автономного транспортного средства с
электрической передачей.
3
Задачи исследования:
– Обоснование типа и энергоемкости накопителя применительно к
специфическим условиям работы в составе газотурбинной энергетической
установки;
– Разработка зарядно-разрядного преобразователя для СПИН,
обеспечивающего согласование характеристик источников, накопителей и
потребителей электрической энергии автономного транспортного
средства;
– Разработка способов регулирования дополнительной мощности,
отбираемой накопителем энергии от газотурбинной установки при
различных условиях движения транспортного средства;
– Разработка решений по повышению эффективности использования
накопленной энергии.
Методы исследования. Решение поставленных задач выполнено с
использованием методов термодинамики, теории электромагнитного поля,
теории электрических цепей, аналитико-численных методов с
использованием пакета MATLAB и компьютерного моделирования в
пакете SIMULINK.
Достоверность научных результатов.
Достоверность
научных
положений
и
работоспособность
предложенных технических решений подтверждена результатами
экспериментальных
исследований
макетного
образца
электроэнергетической установки. Погрешность результатов расчетов
токов и напряжений на основных элементах преобразователя по
отношению к экспериментальным измерениям не превышает 5%.
Научная новизна:
–
Предложена
методика
оценки
электромагнитных
и
массогабаритных параметров обмотки тороидального СПИН;
– Разработаны способы регулирования мощности, отбираемой СПИН
от тягового турбоагрегата. Определены требования к преобразователю,
обеспечивающему заряд и разряд СПИН в электроэнергетической системе
перспективного транспортного средства.
– Созданы компьютерные модели, позволяющие исследовать работу
разработанных зарядных и разрядных преобразователей, согласующих
СПИН с источниками и потребителями традиционного исполнения.
Практическая ценность работы:
– Предложено для повышения эксплуатационного КПД
перспективного газотурбовоза использовать СПИН в качестве
дополнительной нагрузки первичного двигателя в режимах долевых
тяговых нагрузок с последующим использованием накопленной
электрической энергии для питания бортовых потребителей собственных
нужд в режиме холостого хода ГТД;
4
– Определены предельные электромагнитные и массогабаритные
параметры обмотки тороидального СПИН по условиям размещения в
заданных габаритах транспортного средства;
– Разработаны схемотехнические решения и алгоритмы управления
преобразовательными устройствами, обеспечивающими импульсный
режим накопления и отдачи электрической энергии;
– Разработано техническое решение, позволяющее повысить
эффективность использования энергии, накопленной в СПИН.
Реализация работы.
Разработанные в диссертации принципы работы схемы поэтапного
заряда и разряда сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии
через промежуточный емкостной накопитель и варианты способов
регулирования времени и потребляемой мощности при заряде
сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии от источников
питания традиционного исполнения использованы при проведении
научно-исследовательских
и
опытно-конструкторских
работ
по
сверхпроводящим магнитным системам электрофизических установок в
научно-исследовательском вычислительном отделе научно-технического
центра «Синтез» Федерального государственного унитарного предприятия
«Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры
имени Д.В. Ефремова».
Апробация работы. Основные положения и результаты
диссертационной работы докладывались и осуждались на: международном
симпозиуме «Eltrans’ 2007» «Электрификация и организация скоростных и
тяжеловесных коридоров на железнодорожном транспорте» (г. СанктПетербург, 23–26 октября 2007 г); международном симпозиуме «Eltrans’
2009» «Электрификация, инновационные технологии, скоростное и
высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте» (г. СанктПетербург, 20-23 октября 2009 г); международной конференции
«Современные технологии – транспорту» (г. Санкт-Петербург, 28 апреля
2009 г); Всероссийской научно-технической конференции «Транспорт
2010» (г. Ростов-на-Дону, 14-16 апреля 2010 г); научно-технических
конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Шаг в будущее»
(Санкт-Петербург, ПГУПС в 2007, 2008 и 2009 годах); заседаниях кафедры
«Электромеханические комплексы и системы» (Санкт-Петербург, ПГУПС
в 2007, 2008 , 2009 и 2010 годах).
Публикации. По теме диссертационной работы имеется 7
публикаций, из них один патент на полезную модель, и одна публикация в
издании, рекомендуемом ВАК Минобразования Росси.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти
глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объём
диссертации составляет 156 страниц, включая 70 рисунков, 6 таблиц и 3
приложения. Библиографический список содержит 115 наименований.
5
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснованна актуальность темы и выбранного
направления исследования. Дана краткая Характеристика диссертационной
работы, её цели, задачи, методы исследования, сформулированы основные
положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен обзор современных ГТД, представлен
анализ влияния различных параметров на их характеристики и определена
энергоемкость накопителя.
Прогресс в области конструирования газотурбинных двигателей
позволяет создавать ГТД для локомотивов с достаточно высокими
значениями КПД и ресурса работы. Применение современных технологий
при создании ГТД способствует улучшению их экономических
характеристик в режиме долевых тяговых нагрузок и на холостом ходу, но
не исключает недостатки присущие ГТД в этих режимах полностью.
Использование накопителей энергии должно быть направлено на
устранение недостатков, присущих ГТД грузового локомотива, т.е.
накопитель энергии должен обеспечить стабилизацию КПД ГТД в
широком диапазоне мощностей.
Обработка
универсальных
гистограмм,
определяющих
распределение мощности грузовых локомотивов по времени в зависимости
от коэффициента использования мощности в режиме долевых тяговых
нагрузок КN показывает, что в широком диапазоне КN = const
относительная величина мощности всегда меньше номинальной ( N  1) ,
причем с увеличением КN в значительном интервале времени диапазон
изменения мощности уменьшается, что приводит к увеличению
относительного коэффициента полезного действия ГТД на заданном
интервале времени.
ОЭК
к ТД
Увеличение коэффициента
ТП
КN можно достигнуть путем
Заряд Разряд
использования накопителя энергии
ГТД
СГ
НЭ
НЭ
в
качестве
дополнительной
нагрузки тягового генератора, а
ВЭК
следовательно и ГТД. Структурная
П
П
схема тяговой энергетической
передачи
газотурбовоза
с
ВЭО
ВЭО
накопителем энергии приведена на
Рис.1. Структурная схема тяговой энергетической
рис.1.
передачи газотурбовоза с накопителем энергии:
ГТД – газотурбинный двигатель, СГ – тяговый синхронный
генератор, ОЭК и ВЭК – основной и вспомогательный
энергетические каналы, НЭ – накопитель энергии,
П преобразователь, ТП – тяговый преобразователь,
ТД – тяговые двигатели,
ВЭО – вспомогательное электрооборудование.
Заряд. В режиме долевых
тяговых
нагрузок
накопитель
энергии
подключается
к
генератору
догружая
ГТД,
увеличивается
коэффициент
6
использования
мощности
КN,
что
приводит
к
увеличению
эксплуатационного КПД газотурбовоза. По основному каналу энергия
подводится (через тяговый преобразователь) к тяговым электродвигателям,
по маломощному каналу – через преобразователь к вспомогательному
электрооборудованию (ВЭО) и накопителю энергии.
Разряд. В режиме холостого хода ГТД работает с параметрами,
обеспечивающими минимальный расход топлива, от тягового генератора
отключаются преобразователь и тяговые электродвигатели, а ВЭО
получает питание через преобразователь от накопителя энергии.
Повышение эксплуатационного КПД при применении накопителя
энергии может быть определено по формуле:
 ηNД

ηЭ  
 1  100 % ,
 ηN

где η N , ηNД – коэффициенты, учитывающие работу двигателя на долевых
нагрузках и холостом ходу, без и с использованием накопителя энергии в
качестве дополнительной нагрузки соответственно.
Коэффициенты η N , ηNД определяются по следующей формуле:
η N , NД 
ξ  K N2 , NД
Q XX  ξ  K N2 , NД  (1  Q XX )
,
0, 4К
N , NД
где: при К N , NД  0,5  1,0  ξ  1,25  е
; Q XX – относительная
величина расхода топлива в режиме холостого хода.
Анализ показывает, что величина ηЭ существенно зависит от доли
ВЭО в номинальной мощности газотурбовоза (N0) m, Q ХХ и
относительного времени холостого хода τ ХХ и может составлять от 2-х до
10%. На рис.2 приведены результаты расчетов для доли мощности ВЭО
m = 0,04 из которых видно, что для среднего τ ХХ  0,35 и m = 0,04 в
зависимости от Q ХХ величина ηЭ находится в пределах (47)%.
Энергоемкость накопителя должна определяться по режиму
холостого хода:
WНЭ  m  N 0  τ ХX  τ Ц ,
где: τЦ – время цикла заряд-разряд накопителя энергии, определяется из
нагрузочных диаграмм.
Нагрузочные диаграммы локомотивов носят неравномерный
перемежающийся характер: величина средней мощности в периоды
нагрузок, времена долевых тяговых нагрузок и холостого хода являются
различными. В качестве первого приближения для ГТД газотурбовоза
нагрузочная диаграмма принята равномерной перемежающейся с
одинаковыми чередующимися циклами; при этом сохранены неизменными
7
соотношения между средними временами нагрузок и холостого хода за
период полного пробега и цикла.
На рис.3 приведена зависимость энергоемкости накопителя от
времени цикла заряд-разряд для газотурбовозов мощностью N 0  6 МВт и
N 0  10 МВт при τ ХХ  0,35 и различных значениях m.
∆ηЭ %
m=0,04
N0=10 МВт
8
6
4
2
WНЭ
800
QХХ = 0,2
0,15
600
0,1
400
МДж
m=0,05 m=0,04 m=0,03
m=0,05
m=0,04
m=0,03
N0=6 МВт
10
200
τЦ
τХХ 0
0,5 1,0 1,5 2,0 ч
0,2
0,3
0,4
Рис.2. Зависимость повышения Рис.3. Зависимость энергоемкости
накопителя от длительности цикла
эксплуатационного КПД от
заряд-разряд
относительного времени
холостого хода
Для дальнейшего расчета энергоемкость накопителя принята равной
WНЭ  300 МДж.
Во второй главе рассмотрены различные типы накопителей энергии
из условия возможности согласования их характеристик с параметрами
газаторбинной установки в составе энергетической передачи автономного
локомотива. При выборе накопителя энергии устанавливаемого на
подвижном составе большое значение имеют величины удельных
энергоемкостей на единицу массы и объема и скорость вывода энергии.
Для сравнения основных типов накопителей энергии их удельные
показатели представлены на рис.4.
Прогресс
в
области
создания
высокотемпературных
сверхпроводников второго поколения и анализ характеристик накопителей
энергии показывает, что в составе электроэнергетической установки
перспективного газотурбовоза целесообразно использовать СПИН,
обладающие
следующими
преимуществами:
наилучшими
массогабаритными показателями, возможностью хранения запасенной
энергии сколь угодно долгое время, высоким быстродействием при
практически неограниченном количестве циклов (заряд-разряд).
0
8
Удельная запасаемая энергия
10000
кДж/кг
1000
электрохимические
СПИН
механические
100
10
суперконденсаторные
электромеханические
1
0,1
10
10 часов
1 час
ёмкостные
1 сек
Вт/кг
10000
100
1000
Удельная мощность
Рис.4. Удельные параметры накопителей энергии
Разработана методика определения
dн
Δ
электромагнитных
и
массогабаритных
параметров обмотки тороидального СПИН
d
(рис.5). Исходными данными для расчета
D
является:
энергоемкость
СПИН
(W),
максимальный зарядный ток (IСПИН max),
расчетное значение максимальной индукции
Δ
в обмотке (B), тип сверхпроводника и
D
коэффициент
заполнения
обмоточного
a
d
провода сверхпроводником. Результатом
расчета являются: диаметр тора (D), число
Рис.5. Расчетная схема
витков обмотки (w), усредненная и
тороидального СПИН
критическая плотность тока в обмотке
определяется по характеристике конкретного типа сверхпроводника j=f(B),
размеры поперечного сечения витка (ширина витка а, толщина витка ),
масса проводникового материала (Mа).
4W μ0
π  (D  d )  B
D3
; w
;
2 2
2
μ

I
π B 1  1  d*  1  d* 
0
СПИН max


2
I
2  π  I СПИН max
π  D  d 
π  D  d 
a


;   СПИН max ;
2 w
2 w
w j
ja
M a  π  γ  w  D  a    d*    ,
где d*=d/D – относительный диаметр намотки катушки,
 – плотность сверхпроводникового материала.
9
На основании предложенной методики получены зависимости
массогабаритных параметров от магнитной индукции (рис.6) из которых
видно, что значение максимальной индукции в магнитной системе
целесообразно зафиксировать в диапазоне 8 – 10 Тл.
При расчете СПИН следует учесть требования к габаритам
подвижного состава. Наружный диаметр торойда не должен превышать
поперечного габарита подвижного состава. По результатам расчета была
получена зависимость энергоемкости СПИН от отношения внутреннего
диаметра обмотки к диаметру тора (d/D), представленная на рис.7 при
магнитной индукции в обмотке В=10 Тл и наружном диаметре dн=3 м.
W МДж
60
Mа;D;dн
Mа
dн
40
D
20
8
10
12
14
B
Тл
d
D
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Рис. 6. Зависимость
Рис. 7. Энергоемкость
массагабаритных параметров от
тороидального СПИН заданного
внешнего диаметра
магнитной индукции
Из графика видно, что энергоемкость тороидального модуля СПИН
удовлетворяющего требованиям к габаритам подвижного состава должна
быть менее 60 МДж. Поэтому СПИН энергоемкостью 300 МДж должен
состоять из 6 тороидальных модулей энергоемкостью по 50 МДж.
Таким образом, оказывается возможным оценить предельные
относительные массогабартные параметры обмотки тороидального СПИН
для автономных локомотивов: удельная масса (по активному материалу)
составляет не менее 12 т/ГДж, удельный объем – не менее 115 м3/ГДж.
В третьей главе рассмотрены варианты структурных схем
накопления избыточной энергии ГТД в СПИН, обосновано схемное
решение для зарядного преобразователя, получены зависимости для
расчета его основных параметров и разработаны способы регулирования
мощности, отбираемой от ГТД.
Особенностями СПИН, как приемника (источника) энергии,
являются медленно меняющийся ток и низкое напряжение. Это затрудняет
его непосредственное подключение к источникам (приемникам) энергии
традиционного
исполнения
(электромашинным
и
статическим
преобразователям), поэтому заряд СПИН от выпрямителя, установленного
на выходе тягового синхронного генератора (СГ), целесообразно
осуществлять через промежуточный емкостной накопитель (ЕН) малой
10
энергоемкости (рис.8). В этом случае заряд СПИН будет проходить
поэтапно, принимая характер импульсной накачки энергии. Преимущества
такого варианта состоят в том, что СГ освобождается от работы с
большими, медленно меняющимися токами, в результате чего появляется
возможность
гибко
регулировать
величину
и
длительность
дополнительной нагрузки ГТД в зависимости от различных внешних
условий. При достаточно частых импульсах заряда промежуточного ЕН
ГТД вследствие своей инерционности будет воспринимать не импульсную,
а некоторую среднюю дополнительную нагрузку.
Для ограничения
УВ
СПИН
бросков
тока
при
заряде
=
СГ
L
промежуточного
ЕН
R1 ЕН – R2
СПК К1
необходимо
+
i
использовать
К2
К4
~
~
К3
~
токоограничивающие
реакторы,
которые
Рис.8. Принципиальная схема заряда СПИН через могут быть включены
промежуточный ЕН: СПК – сверхпроводящий ключ, в фазы выпрямителя на
расположенный в холодной зоне СПИН (внутри криостата) и стороне переменного
обеспечивающий режим "замороженного потока" при
тока или в цепь
длительном хранении энергии; K1 – полупроводниковый
выпрямленного тока. В
ключ, расположенный в теплой зоне (вне криостата) и
работе оба варианта
обеспечивающий режим кратковременного хранения
энергии в интервалах заряда промежуточного ЕН; К3 –
сравниваются исходя
полупроводниковый ключ, предназначенный для
из
одинаковой
подключения промежуточного ЕН к СПИН при разряде
энергии, запасаемой в
первого на второй; К4 – полупроводниковый ключ,
промежуточном ЕН, и
предназначенный для аварийного сброса энергии ЕН на
разрядный резистор R2; К2 – полупроводниковый ключ,
ограничения бросков
предназначенный для аварийного вывода энергии из СПИН выпрямленного тока до
на разрядный резистор R1; УВ – управляемый трехфазный
одинаковой величины.
мостовой выпрямитель.
Показано, что схема с
включением токоограничивающего реактора в цепь выпрямленного тока
обеспечивает
меньшие
суммарные
массогабаритные
параметры
промежуточного ЕН и токоограничивающих реакторов, а также меньшие
потери мощности при заряде. Кроме того, схема с включением
токоограничивающего реактора в цепь выпрямленного тока обеспечивает
меньшую скорость нарастания начального броска тока и меньшее время
заряда промежуточного ЕН (рис.9). Первое обстоятельство облегчает
условия работы полупроводниковых приборов, а второе позволяет
увеличить среднюю дополнительную мощность, отбираемую от ГТД в
режимах долевых тяговых нагрузок.
В результате анализа переходного процесса заряда ЕН при ряде
упрощающих допущений получены выражения для минимального
11
значения
емкости
промежуточного
ЕН
и
индуктивности
токоограничивающего реактора в зависимости от напряжения на выходе
выпрямителя (Ud), максимального допустимого значения тока в процессе
заряда (Im) и минимального времени заряда ЕН (Δtз), которое
целесообразно принимать на порядок больше времени переключения
полупроводниковых приборов из непроводящего состояния в проводящее
и обратно:
t з I m
U d2
; LТР  2  С .
C

π Ud
Im
I, U,
A В
2000
1500
1 – ic(t) индуктивности после диодов
2 – uc(t) индуктивности после диодов
3 – ic(t) индуктивности до диодов
4 – uc(t) индуктивности до диодов
1
1000
3
500
2
t
4
0
0,05
0,1
0,15 с
Рис.9. Временные диаграммы зарядного тока и напряжения ЕН
Рассмотрены способы регулирования мощности, потребляемой от
СГ, при заряде промежуточного ЕН. Во избежание аварийных
перенапряжений данный процесс нельзя прервать до достижения
напряжением ЕН установившегося значения, поэтому мощность заряда
промежуточного ЕН можно регулировать за счет изменения его
начального напряжения в зарядно-разрядном цикле. Установлено, что
мощность при заряде промежуточного ЕН уменьшается с ростом
начального напряжения заряда (UНАЧ), и зависит от напряжения на выходе
выпрямителя и от максимально допустимого тока в процессе заряда, но не
зависит
от
емкости
промежуточного
ЕН
и
индуктивности
токоограничивающего реактора:
2
Pз   I m  U d  U НАЧ 
π
Таким образом, изменяя начальное значение напряжения заряда ЕН,
можно в широком диапазоне регулировать мощность заряда.
Вторым этапом процесса накопления избыточной энергии ГТД в
СПИН является разряд промежуточного ЕН на СПИН. Длительность
данного этапа также определяет мощность, отбираемую от тягового
турбоагрегата, т.к. влияет на частоту следования импульсов заряда ЕН. В
12
работе выполнен анализ влияния величины UНАЧ (глубины разряда ЕН) на
мощность процесса разряда ЕН на СПИН. При этом принято допущение,
что ток СПИН на протяжении одного цикла дозаряда остается
неизменным. Показано, что мощность разряда не зависит от начального
напряжения промежуточного ЕН, а зависит только от напряжения на
выходе выпрямителя и текущего тока СПИН:
Pр  U d  iСПИН .
Относительная мощность заряда СПИН от СГ в зависимости от
начального напряжения дозаряда промежуточного ЕН:
U
P  1  НАЧ .
Ud
Моделирование заряда СПИН с учетом изменения его тока в
процессе одного цикла дозаряда, влияния индуктивного сопротивления
фаз синхронного генератора и не идеальности полупроводниковых ключей
выполнено в программе MatLab Simulink. Временные диаграммы
напряжения и тока на промежуточном ЕН и тока СПИН, при начальном
напряжении ЕН UНАЧ=0, на различных интервалах заряда СПИН,
полученные при моделировании, представлены на рис.10 и рис.11.
I A Напряжение и ток на промежуточном ЕН
U В
I A Напряжение и ток на промежуточном ЕН
U В
iЕН
uЕН
uЕН
iЕН
Ток СПИН
Ток СПИН
I A
I A
iСПИН
iСПИН
t
c
t
c
Временные диаграммы работы преобразователя
Рис.10.
Рис.11.
Получены кривые времени, КПД и средней мощности, потребляемой
от тягового турбоагрегата, при заряде одного модуля СПИН в зависимости
от начального напряжения заряда промежуточного ЕН представленные на
рис.12.
Таким образом, предложенное схемное решение зарядного
преобразователя и разработанные принципы регулирования мощности
заряда СПИН обеспечивают высокий КПД и широкий диапазон
регулирования мощности, потребляемой от тягового турбоагрегата, в
процессе заряда СПИН.
13
t,
η, PСР,
с
% КВт
96 240 1200
95
160 800
94
80
η
PСР
400
t
UНАЧ
Ud
93 0
0
40
60
80 100 %
0
20
Рис.12. Влияние начального напряжения заряда ЕН
на параметры процесса заряд СПИН
В четвертой главе выработаны принципы питания бортовых
потребителей от СПИН, получены выражения для расчета основных
параметров разрядного преобразователя и предложены технические
решения по повышению эффективности использования энергии СПИН.
Статическая вольтамперная характеристика СПИН представляет
собой характеристику источника тока, величина которого определяется
запасенной энергией, но для питания электроприводов вспомогательных
механизмов источник энергии должен обладать вольтамперной
характеристикой источника напряжения. Таким образом, обеспечение
требуемого вида вольтамперной характеристики на входе потребителя
возможно лишь при наличии промежуточного преобразователя медленно
меняющегося тока в напряжение, поддерживаемое практически
постоянным. Таким преобразователем может являться емкостной
накопитель (ЕН) малой энергоемкости. Аналогично заряду, разряд СПИН
предложено осуществлять путем импульсной перекачки энергии через ЕН,
напряжение которого должно поддерживаться изменяющимся в весьма
узком диапазоне. Принципиальная схема, обеспечивающая питание
бортовых потребителей от СПИН, представлена на рис.13. Для
исключения аварийных перенапряжений при переводе СПИН в режим
кратковременного хранения энергии предложено использовать вентиль
VD,
снимающий
требование
синхронности
управления
полупроводниковыми ключами К1 и К3.
Установлено, что выбор емкости промежуточного ЕН для разряда
СПИН на бортовые потребители должен осуществляться исходя из
максимального зарядного тока СПИН (IСПИН max), допустимого диапазона
изменения входного напряжения потребителей (ΔU0) и минимального
времени заряда ЕН (Δtз):
I
 t з
.
C  СПИН max
U 0
14
iВЭО
VD
К5
К3
L
СПК
iСПИН
R1
К1
К2
ЕН +
iЕН
–
R2
U0
К4
АИН
~
~
~
ИППН
К НАГРУЗКЕ
СПИН
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Рис.13. Принципиальная схема питания бортовых потребителей от СПИН.
Обозначения аналогичны рис.8, К5 – полупроводниковый ключ, осуществляющий
соединение ЕН с автономным инвертором АИН и/или широтно-импульсного
преобразователя постоянного напряжения ИППН; VD – диод.
Параметры
элементов
схемы
разрядного
преобразователя
существенно зависят как от характеристик источника питания (СПИН), так
и от параметров потребителей. Показано, что при характерных параметрах
бортовых потребителей энергии емкость ЕН в разрядных цепях СПИН в
несколько десятков раз больше емкости ЕН в зарядных цепях СПИН, что
свидетельствует о необходимости иметь два промежуточных ЕН
различной емкости и функционального назначения: для заряда и разряда
СПИН.
Очевидно, что напряжение U0 на выходе разрядного преобразователя
будет поддерживаться в заданном диапазоне только при условии, что ток
СПИН больше или равен току бортовых потребителей. Это приведет к
тому, что в СПИН может оставаться недоиспользованная («мертвая»)
энергия, величина которой тем больше, чем больше суммарный ток
потребителей в данный момент времени. При характерных мощностях
локомотивных бортовых потребителей собственных нужд «мертвая»
энергия может составлять 7…10 % расчетной энергоемкости СПИН. Для
уменьшения этого показателя в WМ %
работе предложено увеличивать 25
один модуль СПИН
допустимое время заряда ЕН
два модуля СПИН
путем питания потребителей от 20
нескольких
модулей
СПИН
поочередно, каждый из которых 15
разряжается
через
свой
10
промежуточный ЕН. Это позволит
снизить объем «мертвой» энергии 5
IВЭО
при
характерных
мощностях
IСПИНmax
потребителей до 1,5…2 % , если
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
их питание осуществляется от 0
Рис.14. Зависимость «мертвой»
двух модулей СПИН(рис.14).
энергии СПИН от тока нагрузки.
15
В пятой главе приведены результаты экспериментальных
исследований.
Основными целями экспериментальных исследований являлись
проверка работоспособности схемы поэтапного заряда индуктивного
накопителя (ИН) через промежуточный ЕН, верификация модели
зарядного преобразователя для индуктивного накопителя энергии, на
основании которой проводились исследования, представленные в третьей
главе и проанализировать влияние емкости промежуточного накопителя и
индуктивности токоограничивающего реактора на основные параметры
процесса заряда индуктивного накопителя. Для решения поставленных
задач разработан и изготовлен преобразователь, осуществляющий
поэтапный заряд ИН через промежуточный конденсатор. Измерения
параметров процесса заряда ИН проводились при помощи комплекта
виртуальных компьютерных измерительных приборов NI ELVIS.
Отличием схемы с ИН от схемы со СПИН являются значительные
потери на активном сопротивлении ИН, замкнутого накоротко в режиме
«хранения» энергии, за время дозаряда промежуточного ЕН. Это приводит
к тому, что в процессе заряда ИН наступает такой квазиустановившийся
режим, при котором энергия, отданная ИН за один цикл разряда
промежуточного ЕН, будет целиком рассеиваться на активном
сопротивлении ИН за время заряда промежуточного ЕН. Вследствие этого
в экспериментальной установке заряд ИН возможен лишь до значения
среднего тока, обусловленного балансом энергии, отдаваемой от
промежуточного ЕН и энергии, рассеиваемой на активном сопротивлении
ИН.
Результаты экспериментальных исследований, представленные на
рис. 15 и рис. 16, подтвердили адекватность принятой в исследованиях
модели: расхождение между расчетными данными, полученными на
модели, и результатами физического эксперимента не превышают 5%.
40
U B
35
I А
опыт
расчет
uИН
30
1,6
Imax
опыт
расчет
1,2
CЕН = 2,0
25
1,0 20
iИН
15
CЕН = 1,5
CЕН = 1,0
0,8
CЕН = 0,5
0,5 10
0,4
CЕН = 0,25
5
0
t
c 0,3
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
-5
Рис.15. Диаграммы тока и напряжения
при заряде ИН
16
0
0,5
1,0
1,5
2,0
LТР
2,5
Рис.16. Зависимость
начального броска тока при
заряде промежуточного ЕН
Основные результаты работы
1.
Рекомендовано для повышения экономичности работы
газотурбовоза в режиме долевых тяговых нагрузок использовать
быстродействующие накопители энергии многократного действия.
Использование накопителя энергии в режиме долевых тяговых нагрузок
позволит увеличить коэффициент использования мощности ГТД, что в
свою очередь может дать относительное увеличение эксплуатационного
КПД газотурбовоза на 2…10% в зависимости от относительных значений
мощности потребителей энергии, расхода топлива в режиме холостого
хода, а также продолжительности режима холостого хода.
2.
На основе анализа характеристик современных накопителей
энергии показаны преимущества СПИН в составе энергетической
установки перспективного газотурбовоза. Предложена методика
первичной оптимизации электромагнитных и массогабаритных параметров
обмотки СПИН тороидального исполнения по критерию максимальной
запасенной энергии.
3.
Обоснованы схемные решения зарядного и разрядного
преобразователей, обеспечивающих согласование характеристик СПИН и
бортовых источников и потребителей электроэнергии традиционного
исполнения.
4.
Получены формулы для расчета параметров основных
элементов зарядно-разрядных преобразователей СПИН. Разработаны
алгоритмы управления преобразователями и способы регулирования
мощности, отбираемой СПИН от тягового турбоагрегата в режимах
меняющихся тяговых нагрузок.
5.
Разработаны технические решения по снижению объема
«мертвой» энергии, остающейся в СПИН при повышении суммарной
мощности бортовых потребителей энергии.
6.
Экспериментально
подтверждена
работоспособность
предложенных схемных решений и адекватность модели зарядного
преобразователя индуктивного накопителя, принятой в теоретических
исследованиях.
Основные публикации по теме диссертации
публикации
в
изданиях,
которые
входят
в
перечень,
рекомендованных ВАК Министерства образования и науки Российской
Федерации:
1. Принципы использования сверхпроводникового индуктивного
накопителя энергии для повышения экономичности силовой установки
автономного транспортного средства с электрической передачей [Текст] /
В.В. Никитин, Е.Г. Середа, Б.А. Трифонов // Известия высших учебных
заведений: Проблемы энергетики. – Казань, 2010. № 1-2. – С. 62-70.
Материалы международных конференций и статьи в российских
изданиях:
17
2. Простая схема применения сверхпроводникового накопителя
энергии (СПИН) для повышения экономичности грузовых газотурбовозов
[Текст] / А.И. Хожаинов, В.В. Никитин, Г.Е. Середа, Е.Г. Середа //
Материалы Четвертого международного симпозиума Элтранс-2007:
Электрификация и организация скоростных и тяжеловесных коридоров на
железнодорожном транспорте. – СПб.:ПГУПС, 2007. – С. 447-456.
3. Методика расчета электромагнитных и массогабаритных
параметров обмотки тороидального сверхпроводникового индуктивного
накопителя энергии [Текст] / Никитин В.В., Середа Е.Г. // Известия
Петербургского университета путей сообщения. – СПб.:ПГУПС, 2009, №3,
С.125-135
4. Анализ схемы заряда сверхпроводникового индуктивного
накопителя энергии через промежуточный емкостный накопитель [Текст] /
Е. Г. Середа // Известия Петербургского университета путей сообщения. –
СПб.:ПГУПС, 2009. – № 2. – С. 60-70.
5. Экспериментальные исследования заряда индуктивного
накопителя энергии через промежуточный емкостной накопитель [Текст] /
В.В. Никитин, Г.Е. Середа, Е.Г. Середа // Тез. докл. пятого
международного
симпозиума
Элтранс-2009:
Электрификация,
инновационные технологии скоростное и высокоскоростное движение на
железнодорожном транспорте. – СПб.:ПГУПС, 2009. – С. 59-60.
6. Преобразователь для использования сверхпроводникового
накопителя энергии в составе энергетической установки автономного
локомотива [Текст] / В.В. Никитин, Е.Г. Середа // Труды Всероссийской
научно – практической конференции «Транспорт–2010». – Ростов-наДону.:РГУПС, 2010, Часть 3, – С. 220-222
7. Пат. 74347 U1 Российская Федерация, МКИ3 МПК, B 60 L 11/02.
Газотурбовоз / Хожаинов А.И., Никитин В.В., Середа Г.Е., Лебедева Н.П.,
Середа Е.Г.; заявитель и патентообладатель Государственное
образовательное учереждение высшего профессионального образования
«Петербургский государственный университет путей сообщения»–
№ 2008105860/22; заявл. 15.02.2008; опубл. 27.06.2008, Бюл. № 18. – 2 с. :
1.ил.
Автор выражает благодарность д.т.н., профессору, заслуженному
деятелю науки и техники Российской Федерации Хожаинову А.И. за
полезные консультации по режимам работы газотурбинных установок
локомотива.
Подписано к печати
Печать – ризография
Тираж 100 экз.
Тип. ПГУПС
.11.10 г.
Бумага для множит. апп.
Заказ №
Печ.л. – 1,0
Формат 60х84 1/16
190031, С-Петербург, Московский пр. 9
18