ГАЗОТУРБОВОЗ

Полезная модель относится к автономным локомотивам с газотурбинным первичным двигателем и накопителями энергии, а именно: со сверхпроводниковыми индуктивными накопителями энергии.
Известна схема газотурбовоза (см. статью «Using a Superconducting Magnetic Energy Storage Coil to Improve Efficiency of a Gas Turbine Powered High Speed Rail Locomotive», авт.Brian K. Johnson и др., опубл. в ж. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2001. 11., №1, ч.2, с. 1900-1903, англ.), в которой головной газотурбинный двигатель вращает синхронный генератор, напряжение которого выпрямляется и подается на шины постоянного тока, от которых через инверторы питаются тяговые асинхронные двигатели. К шинам постоянного тока через двунаправленный преобразователь постоянного напряжения в постоянное подключена катушка сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии. Кроме того, к указанным шинам подключены тормозные резисторы.
Накопитель энергии заряжается каждый раз, когда локомотив находится в режиме рекуперативного торможения, то есть когда первичный газотурбинный двигатель вырабатывает большее количество энергии, чем необходимо для поддержания требуемой скорости при движении состава под уклон, или когда поезд находится на длительной стоянке более 30 минут. Сверхпроводниковая магнитная катушка такого накопителя обладает способностью обеспечивать значительный запас энергии, сохраняя ее практически без потерь сколь угодно долго, так как запасенная в накопителе энергия магнитного поля постоянно поддерживается незатухающим током в сверхпроводниковой катушке, обладающей нулевым электрическим сопротивлением и размещенной в охлаждающем криостате.
Когда поезд при движении начинает ускоряться, сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии разряжается в помощь тяговым двигателям,
тем самым сокращая энергию, потребляемую от газовой турбины. Излишек энергии, запасенной в накопителе, гасится в тормозных резисторах, выделяясь в них в виде тепла. При этом первичный газотурбинный двигатель функционирует на максимально полную мощность лишь в промежутке времени заряда сверхпроводникового накопителя на стоянке локомотива, что составляет около 50% от его номинальной мощности.
Это позволяет использовать турбину меньшей номинальной мощности и, соответственно, с меньшими массогабаритными показателями, а кроме того, обеспечить большие ускорения при высоких скоростях движения и уменьшить вес рельсового полотна из-за уменьшения веса локомотива.
Однако, газотурбовоз как локомотив железнодорожного транспорта должен развивать мощность в соответствии со штатным графиком ведения поезда по переменному профилю пути. Это означает, что газотурбовоз должен развивать большую силу тяги при трогании состава с места и малых скоростях. Но в условиях эксплуатации газотурбовозов полная остановка газовой турбины производится лишь при стоянках локомотивов свыше 30 минут. Это связано с тем, что пуск газотурбинного агрегата требует определенного времени на его разогрев, раскручивание и на выполнение сопутствующих этому процессу специфических функций. И кроме того, частые остановки и пуски турбины и компрессора могут отрицательно сказаться на состоянии их вращающихся деталей. При этом газотурбинная установка, работающая на холостом ходу и при малых нагрузках (низшее число оборотов холостого хода составляет 50% от номинального его значения) потребляет значительное количество топлива -(20÷25)% расхода при полной нагрузке, что является весьма не экономичным.
Кроме того, переменный профиль пути обусловливает резко переменную нагрузку, что также приводит к большому расходу топлива.
Наиболее экономичным для газовой турбины является режим постоянной мощности, соответствующий минимальному удельному расходу топлива.
Однако при этом на различных участках пути изменяется скорость движения. Поэтому приходится для поддержания заданной скорости изменять мощность локомотива. При этом изменение скорости и мощности локомотива должно регулироваться рационально.
Рассмотренная электропередача газотурбовоза не позволяет ликвидировать указанные недостатки в работе газовой турбины.
Известно другое исполнение газотурбовоза (RU №64146, B60L 11/02 от 19.02.2007), в котором газотурбинный агрегат также механически соединен с валом синхронного генератора, к зажимам переменного тока которого подключен двунаправленный и управляемый полупроводниковый преобразователь переменного напряжения в постоянное, своими выходами подключенный к шинам постоянного тока. Устройство содержит тяговые асинхронные двигатели, подключенные к индивидуальным инверторам напряжения. Дополнительно в схему введена вторая плюсовая шина. Кроме того, устройство содержит сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии, включающий в себя, по крайней мере, две индуктивные катушки, - основную и дополнительную, помещенные в один криостат и шунтированные, каждая, своим индивидуальным сверхпроводниковым ключом. Каждая из указанных катушек подключена к выходам своего индивидуального двунаправленного полупроводникового управляемого преобразователя. Входы основного индивидуального преобразователя накопителя подключены к основным шинам постоянного тока, а входы дополнительного индивидуального преобразователя накопителя подключены к основной минусовой и дополнительной плюсовой шинам. Кроме того, устройство содержит блок тормозных резисторов, подключенный к дополнительной плюсовой и основной минусовой шинам, и блок вспомогательного электрооборудования, подключенный ко всем трем шинам постоянного тока. Плюсовой вход каждого тягового инвертора через встречно включенные полупроводниковые ключи подключен к обеим плюсовым шинам, а минусовой вход - к минусовой шине.
К газотурбинному агрегату подключен датчик мощности, выход которого соединен с блоком управления. А выходы последнего предназначены для подключения к управляющим цепям всех полупроводниковых ключей схемы.
Это позволяет обеспечить наиболее эффективно два эксплуатационных режима работы локомотива: тормозной режим газотурбинного агрегата и режим долевых тяговых нагрузок.
В режиме долевых тяговых нагрузок тяговый генератор обеспечивает энергией тяговые двигатели и одновременно заряжает энергией основной сверхпроводниковый индуктивный накопитель, в результате чего указанный накопитель является дополнительной нагрузкой газотурбинной установки. При этом дополнительный сверхпроводниковый накопитель энергии питает вспомогательное электрооборудование.
В тормозном режиме газотурбинного агрегата тяговый генератор переводится в двигательный режим, получая питание от основного сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии через двунаправленный преобразователь переменного напряжения в постоянное. Это соответствует разряду указанного накопителя, который, кроме того, обеспечивает энергией в этом режиме вспомогательное электрооборудование. В результате газотурбинный агрегат переводится в режим холостого хода с частотой вращения вала, равной 50% от номинального ее значения. При этом существенно снижается расход топлива до минимальной величины, обеспечивающей готовность камеры сгорания газотурбинной установки к работе в режиме долевых тяговых нагрузок.
Дополнительный сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии в тормозном режиме заряжается от тяговых двигателей, работающих при этом в генераторном режиме в процессе выбега перед остановкой локомотива. Излишек этой энергии гасится в тормозных резисторах.
Таким образом, в рассмотренном устройстве энергоемкость дополнительного индуктивного накопителя определяется параметрами тормозного режима газотурбинного агрегата.
Однако известно, что к.п.д. газотурбинной установки существенно зависит от максимальной температуры газовой смеси на выходе из камеры сгорания. У газотурбинных двигателей нового поколения эта температура достигает величины 1600К, а на газотурбовозах предыдущих модификаций эта температура существенно ниже: порядка 1000К (см. Бартош Е.Т. Газотурбовозы и турбопоезда. М: Транспорт, 1978.- 310 С.).
Увеличение температуры газовой смеси в газотурбинной установке приводит к увеличению ее мощности, что может быть использовано для обеспечения энергией вспомогательного электрооборудования. Это позволяет значительно упростить схему преобразования энергии газотурбовоза.
Задача состоит в повышении эксплуатационного к.п.д. газотурбовоза за счет повышения его стабилизации в широком диапазоне мощностей в режиме долевых нагрузок газотурбинного агрегата путем усовершенствования схемы электропередачи.
Технический результат достигается тем, что газотуробовоз содержит газотурбинный агрегат, механически соединенный с валом синхронного генератора, к зажимам переменного тока которого подключен первый полупроводниковый управляемый преобразователь переменного напряжения в постоянное, выходы которого подключены к основным шинам постоянного тока, дополнительную плюсовую шину, «n» тяговых асинхронных двигателей, подключенных каждый к индивидуальным инверторам напряжения, сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии, включающий в себя сверхпроводниковую индуктивную тороидальную катушку и шунтирующий ее сверхпроводящий управляемый ключ, помещенные в один криостат, второй полупроводниковый преобразователь постоянного напряжения в постоянное, подключенный своими входами к основным шинам постоянного тока,
выполненный управляемым и двунаправленным, блок управления, блок тормозных резисторов, входами подключенный к основной минусовой и дополнительной плюсовой шинам, блок вспомогательного электрооборудования, входами подключенный к основным шинам постоянного тока, к минусовой шине подключены минусовые входы тяговых инверторов напряжения, плюсовой вход каждого из которых объединен с катодным и анодным электродами своей пары управляемых ключей, один из последних в каждой паре вентилей своим анодом, а другой своим катодом подключены к плюсовым соответственно основной и дополнительной шинам, один вход сверхпроводникового индуктивного накопителя подключен к одному из выходов полупроводникового преобразователя постоянного напряжения в постоянное, к газотурбинному агрегату подключен датчик мощности, выходом подключенный к одному входу блока управления, первая группа выходов которого предназначена для подключения к управляющим цепям первого полупроводникового преобразователя переменного напряжения в постоянное, вторая группа выходов предназначена для подключения к управляющим цепям второго полупроводникового преобразователя постоянного напряжения в постоянное и к управляющей цепи накопителя энергии, третья и четвертая группы выходов предназначены для подключения соответственно к управляющим цепям тяговых инверторов и их входных вентилей.
Дополнительно в него введены третий полупроводниковый однонаправленный управляемый преобразователь переменного напряжения в постоянное и датчик тока, включенный своими входными зажимами к второму входу сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии и второму выходу второго полупроводникового преобразователя постоянного напряжения в постоянное, выход датчика тока предназначен для подключения к второму входу блока управления, пятая группа выходов которого предназначена для подключения к управляющим цепям третьего полупроводникового преобразователя переменного напряжения в постоянное, входные зажимы которого
подключены к зажимам переменного тока синхронного генератора, а выходные зажимы постоянного тока третьего преобразователя переменного напряжения в постоянное подключены к входным зажимам блока вспомогательного электрооборудования, при этом первый управляемый полупроводниковый преобразователь переменного напряжения в постоянное выполнен однонаправленным.
Новым по сравнению с прототипом является следующее:
в схему электропередачи газотурбовоза включены
- третий полупроводниковый однонаправленный управляемый преобразователь переменного напряжения в постоянное, и
- датчик тока с их связями между собой и элементами схемы,
первый преобразователь переменного напряжения в постоянное выполнен однонаправленным,
а сверхпроводниковый накопитель включает в себя только одну сверхпроводниковую индуктивную катушку.
Это позволяет наиболее эффективно использовать газотурбинный агрегат как в режиме холостого хода газотурбинного агрегата, так и в режиме долевых тяговых нагрузок, а именно:
- в режиме долевых нагрузок нагрузкой газотурбинного агрегата является не только сверхпроводящий индуктивный накопитель энергии, заряжающийся от преобразователя, но и блок вспомогательного электрооборудования,
- в режиме холостого хода газотурбиной установки питание вспомогательного электрооборудования осуществляется от разряжающегося сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии. При этом указанный накопитель, получив полную (расчетную) энергоемкость при заряде в режиме долевых тяговых нагрузок, отключается от зарядившего его синхронного генератора.
Расчет энергоемкости сверхпроводникового накопителя осуществляется по среднему времени холостого хода газотурбинного двигателя.
При этом если реальное время холостого хода увеличивается относительного среднего его значения и энергоемкости накопителя недостаточно для поддержания вспомогательного электрооборудования в рабочем режиме, то к последнему подключается синхронный генератор.
Если же реальное время холостого хода уменьшается относительно среднего его значения и запасенная в накопителе энергия не успевает израсходоваться вспомогательным электрооборудованием, то избыток этой энергии накопителя может быть использован для подзаряда аккумуляторной батареи.
Сказанное позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию новизна, а также о том, что между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь.
На чертеже приведена принципиальная схема электропередачи предлагаемого устройства.
Работу его рассмотрим на конкретном примере при числе двигателей n=4.
Газотурбовоз содержит газотурбинный агрегат 1, механически соединенный с валом синхронного генератора 2, к зажимам 3, 4, 5 переменного тока которого подключены входы одного полупроводникового управляемого преобразователя 6 переменного напряжения в постоянное, выходы которого подключены к основным шинам 7, 8 постоянного тока; дополнительную плюсовую шину 9; четыре тяговых асинхронных двигателя 10, 11, 12, 13, подключенных каждый к индивидуальным инверторам 14, 15, 16, 17 напряжения; сверхпроводниковый индуктивный накопитель 18 энергии, включающий в себя одну сверхпроводниковую тороидальную индуктивную катушку 19 и шунтирующий ее сверхпроводящий управляемый ключ 20, помещенные
в один криостат; а также второй полупроводниковый преобразователь 21 постоянного напряжения в постоянное, подключенный своими входами 22, 23 к основным шинам 7, 8 постоянного тока и выполненный управляемым двунаправленным - со встречно-параллельными управляемыми полупроводниковыми цепями 24, 25; блок управления 26, блок тормозных резисторов 27, своими входными зажимами 28, 29 подключенный к основной минусовой 8 и дополнительной плюсовой 9 шинам; блок вспомогательного электрооборудования 30, своими входами 31, 32 подключенный к основным шинам 7, 8 постоянного тока. Кроме того, к минусовой шине 8 подключены минусовые входы 33, 34, 35, 36 тяговых инверторов 14, 15, 16, 17, плюсовой вход 37, 38, 39, 40 каждого из которых объединен с катодным и анодным электродами своей пары входных управляемых ключей 41, 42; 43, 44; 45, 46; 47, 48, один из которых 41, 43, 45, 47 в каждой паре вентилей своим анодом, а другой 42, 44, 46, 48 своим катодом подключены к плюсовым соответственно основной 7 и дополнительной 9 шинам; один вход 49 сверхпроводникового индуктивного накопителя 18 подключен к одному из выходов - одноименному - второго полупроводникового преобразователя 21, а к газотурбинному агрегату 1 подключен датчик мощности, своим выходом 51 подключенный к одному входу блока управления 26, первая группа выходов которого предназначена для подключения к управляющим цепям первого полупроводникового преобразователя переменного напряжения в постоянное, вторая группа выходов предназначена для подключения к управляющим цепям второго полупроводникового преобразователя постоянного напряжения в постоянное и к управляющей цепи накопителя энергии, третья и четвертая группы выходов предназначены для подключения соответственно к управляющим цепям тяговых инверторов и их входных вентилей.
Дополнительно устройство содержит третий полупроводниковый однонаправленный управляемый преобразователь 52 переменного напряжения в постоянное и датчик тока 53, который включен своими входными зажимами
54, 55 к второму входу 54 сверхпроводникового накопителя энергии 18 и второму выходу 55 второго полупроводникового преобразователя 21 постоянного напряжения в постоянное; а выход 56 датчика тока 53 предназначен для подключения ко второму входу 56 блока управления 26; пятая группа выходов которого предназначена для подключения к управляющим цепям третьего полупроводникового преобразователя 52 переменного напряжения в постоянное, входные зажимы которого подключены к зажимам 3, 4, 5 переменного тока синхронного генератора 2, а выходные зажимы 57, 58 постоянного тока третьего преобразователя переменного напряжения в постоянное 52 подключены к входным зажимам 31, 32 блока вспомогательного электрооборудования 30, а первый полупроводниковый преобразователь 6 переменного напряжения в постоянное выполнен однонаправленным.
В качестве первого 6 и третьего 52 преобразователей переменного напряжения в постоянное может выть использована схема, приведенная, например, в монографии авторов: Солодунов A.M., Иньков Ю.М., Коваливкер Г.Н., Литовченко В.В. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями. -Рига: Зинатне, 1991, с. 250).
Схема трехфазных инверторов напряжения 14-17 общеизвестна и приведена, например, в монографии авторов: Солодунов A.M., Иньков Ю.М., Коваливкер Г.Н., Литовченко В.В. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями. -Рига: Зинатне, 1991. с. 35).
Схема блока управления 26 может быть реализована, например, на базе микроконтроллера фирмы «ATMEL», приведенного в справочнике «Микроконтроллеры AVR семейства Tiny и Mega фирмы ATMEL, СПБ, Додека-XXI, 2004».
Датчик мощности 50 описан, например, в книге авторов: Хайкин А.Б., Жадобин Н.Е. Элементы судовой автоматики: Учебное пособие.- Л.: Судостроение, 1982, с. 217.
В качестве сверхпроводящего управляемого ключа 20 может быть использован криотрон, описанный, например, в монографии авторов Глебов И.А., Шахтарин В.Н., Антонов Ю.Ф. Проблема ввода тока в сверхпроводниковые устройства.- л.: Наука, 1985. с. 35.
Датчик тока 54 описан, например, в книге авторов: Хайкин А.Б., Жадобин Н.Е. Элементы судовой автоматики: Учебное пособие.- Л.: Судостроение, 1982, с. 217.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства в двух основных эксплуатационных режимах работы газотурбовоза.
1. Режим долевых тяговых нагрузок газотурбинного агрегата
зар.спин
Датчик мощности 50 фиксирует текущее значение мощности газотурбинного агрегата 1 и посылает их в преобразованном виде на вход 51 блока управления 26, который посылает сигналы в управляющие цепи вентилей первого преобразователя 6, входных вентилей 41, 43, 45, 47 и вентилей инверторов 14-17, а также в прямую вентильную цепь 24 второго преобразователя 21. В результате напряжение синхронного генератора 2, выпрямленное преобразователем 6, поступает на основные шины 7, 8 постоянного тока, от которых, во-первых, через инверторы 14-17 получают питание асинхронные тяговые двигатели 10-13, и, во-вторых, через прямую вентильную цепь 24 получает питание, а значит заряжается, индуктивная катушка 19 сверхпроводникового накопителя энергии 18. Криотрон 20 при этом находится в нормальном - несверхпроводящем состоянии, то есть отключен. Величина тока заряда i фиксируется датчиком тока 53. Запасенная в индуктивной катушке энергия определяется по известному выражению:
СПИН
где W - текущее значение энергии заряда накопителя, Дж;
зар.СПИН
i - текущее значение тока заряда индуктивной катушки накопителя, А;
L - индуктивность катушки накопителя, Гн.
При постоянной индуктивности энергия накопителя однозначно определяется по величине тока заряда. Величина максимально допустимого тока накопителя определяется требуемой энергоемкостью, которая в свою очередь зависит от средней величины времени холостого хода газотурбинного двигателя 1:
СПИН
Ср.хол.хода.
W=W
СПИН
Cр. ход хода
Если W>W, то есть превышает расчетное значение, то блок управления 26 по входу 56 блокирует подачу управляющих сигналов в вентильную цепь 24 преобразователя 21 и разрешает включить криотрон 20, шунтирующий сверхпроводящую индуктивную катушку 19 накопителя 18. Кроме того блок управления 26 обеспечивает запрет на включение вентилей третьего преобразователя 52. В результате сверхпроводниковый накопитель 18 переходит в режим хранения запасенной энергии, а на зажимах 57, 58 преобразователя 52 отсутствует напряжение. При этом блок вспомогательного электрооборудования 30 получает питание от шин постоянного тока 7, 8.
2. Режим холостого хода газотурбинного агрегата
По сигналу датчика мощности 51, фиксирующего в режиме холостого хода снижение вырабатываемой газотурбинным агрегатом 1 мощности, блок управления 26 снимает управляющие сигналы с вентилей преобразователя 6 и с входных вентилей 41, 43, 45, 47, подавая управляющие сигналы на входные вентили 42, 44, 46, 48 и обеспечивая переход инверторов 14-17 в выпрямительный режим. В результате преобразователь 6 оказывается отключенным от шин 7, 8 постоянного тока, асинхронные двигатели 10-13 переходят в генераторный режим, и вырабатываемая ими энергия гасится через обратные входные вентили 42, 44, 46, 48 и шины 9, 8 в тормозных резисторах.
Кроме того, блок управления 26 своим сигналом отключает криотрон 20 накопителя 18 и включает в работу обратную вентильную цепь 25 преобразователя
21. В результате сверхпроводниковая индуктивная катушка 19 накопителя энергии 18 начинает разряжаться через основные шины 7, 8 постоянного тока в блок вспомогательного электрооборудования 30.
При этом в случае отклонения реального времени холостого хода газотурбинного двигателя от расчетного среднего значения возможны следующие варианты работы схемы.
тек.XX
ср.XX
1. Если t<t, то накопитель 18, разряжаясь в цепь блока вспомогательного электрооборудования 30, не успевает израсходовать всю накопленную в нем энергию. Тогда ее остаток может быть использован, например, для подзарядки аккумуляторной батареи (см. фиг.3а).
тек.XX
ср.XX
тек.paзp
расч.хол.хода
2. Если t<t, то энергии, запасенной в сверхпроводниковом накопителе 18 в режиме долевых нагрузок недостаточно для питания вспомогательного электрооборудования 30. Тогда в блоке управления 26, фиксируется соотношение W>W, в результате чего блок управления 26 снимает запрет на подачу управляющих сигналов на вентили преобразователя 52 и обеспечивает запрет на подачу сигналов на вентильные цепи 24, 25; при этом криотрон 20 остается отключенным. Тогда накопитель 18, разрядившись на блок вспомогательного электрооборудования 30, оказывается отключенным от питания, а на выходах 57, 58 преобразователя 52 появляется выпрямленное напряжение, которое подается на входы 31, 32 блока вспомогательного электрооборудования 30.
Таким образом, предложенное устройство не только сохраняет меры, направленные на повышение энергетической эффективности газотурбовоза путем использования сверхпроводникового накопителя энергии, на и расширяет эти возможности, а именно: в режиме долевых тяговых нагрузок газотурбинный двигатель обеспечивает энергопотребление не только тяговых асинхронных двигателей, но и блока вспомогательного электрооборудования, и обеспечивает запас энергии сверхпроводящим индуктивным накопителем.
При этом в схеме используются не два, а один сверхпроводниковый накопитель, что улучшает массогабаритные показатели устройства и сокращает капитальные и эксплуатационные расходы на содержание накопителя.
А энергоемкость самого накопителя определяется не по тормозному режиму, как в прототипе, а по мощности вспомогательного электрооборудования при холостом ходе газотурбинного агрегата.
При этом накопитель, получив полную расчетную энергию в режиме долевых нагрузок, разряжается в режиме холостого хода так, что, если его энергии больше, чем среднее расчетное ее значение, то избыток этой энергии, питающей вспомогательное электрооборудование, используется аккумуляторной батареей; если меньше расчетного значения, то работа вспомогательного электрооборудования поддерживается подпиткой от синхронного генератора.
Кроме того, мощность газотурбинного агрегата в режиме холостого хода не снижается ниже оптимального значения за счет дополнительной нагрузки его вспомогательным электрооборудованием.
В результате увеличивается к.п.д. газотурбовоза за счет увеличения коэффициента использования мощности газотурбинного агрегата.