ГАЗОТУРБОВОЗ

Полезная модель относится к автономным локомотивам с газотурбинным первичным двигателем и накопителями энергии, а именно: со сверхпроводниковыми индуктивными накопителями энергии.
Известно исполнение газотурбовоза (RU №64146, B60L 11/02 от 19.02.2007), в котором газотурбинный агрегат 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, как это представлено в другом его исполнении (RU №74347, B60L 11/02 от 15.02.2008), в котором газотурбовоз также содержит газотурбинный агрегат, механически соединенный с валом синхронного генератора. К зажимам переменного тока генератора подключен первый полупроводниковый однонаправленный управляемый преобразователь переменного напряжения в постоянное, выходы которого подключены к основным шинам постоянного тока. Кроме того, схема газотурбовоза содержит дополнительную плюсовую шину, "n" тяговых двигателей, подключенных каждый к индивидуальному инвертору напряжения, сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии, который включает в себя сверхпроводниковую индуктивную тороидальную катушку и шунтирующий ее сверхпроводниковый управляемый ключ, помещенные в один криостат. Накопитель энергии через второй полупроводниковый преобразователь постоянного напряжения в постоянное подключен к основным шинам постоянного тока, к которым также подключен блок вспомогательного электрооборудований. Между одним входом индуктивного накопителя и одним выходом второго полупроводникового преобразователя включен датчик тока, выход которого подключен к одному входу блока управления. К другому входу блока управления подключен датчик мощности, установленный на газотурбинном агрегате. Кроме того, к зажимам переменного тока синхронного генератора подключен третий полупроводниковый управляемый преобразователь переменного напряжения в постоянное, выходные зажимы которого подключены к входным зажимам блока вспомогательного электрооборудования.
Это позволяет значительно расширить возможности использования сверхпроводникового накопителя, 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 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. А 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.
2
Однако блок вспомогательного электрооборудования включает в себя потребители как постоянного, так и переменного тока. В качестве последних чаще всего используются асинхронные двигатели, а они, как известно (см. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1978. - 840 с.) критичны не к величине тока нагрузки, а к величине питающего напряжения: М~U , то есть пропорционально квадрату напряжения. При снижении величины питающего напряжения ниже допустимых значений момент асинхронных двигателей снижается значительно больше.
Этот режим работы асинхронного двигателя опасен его «опрокидыванием», то есть остановкой, что в условиях эксплуатации всего силового оборудования недопустимо.
В рассмотренной выше схеме газотурбовоза питание блока вспомогательного электрооборудования осуществляется либо от шин постоянного тока - в режиме долевых тяговых нагрузок, либо от сверхпроводникового накопителя энергии или дополнительного управляемого выпрямителя - в режиме холостого хода газотрубинного агрегата.
Однако в режиме холостого хода при разряде сверхпроводникового накопителя в блок вспомогательного электрооборудования возможен режим нештатного увеличения длительности холостого хода за счет, например, увеличения длительности остановки газотурбовоза сверх нормативного ее значения.
В результате сверхпроводниковый накопитель, разряжаясь в блок вспомогательного электрооборудования, может израсходовать весь запас своей энергии настолько, что оставшейся в нем энергии будет недостаточно для дальнейшего поддержания величины напряжения на зажимах блока вспомогательного электрооборудования выше критического минимума.
В прототипе уровень изменения электроэнергии, запасенной накопителем, отслеживается с помощью датчика тока. Однако получаемая при этом информация об изменении запасенной в накопителе энергии не позволяет оценить уровень снижения напряжения на зажимах блока вспомогательного электрооборудования при разряде в него накопителя. А это, в конечном итоге, может привести к описанным выше негативным последствиям.
Задача состоит в повышении эксплуатационного к.п.д. газотурбовоза за счет повышения его стабилизации в широком диапазоне мощностей в режиме долевых нагрузок газотурбинного агрегата и в режиме холостого хода 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, между другим выходом которого и другим входом сверхпроводникового накопителя включен датчик тока, выход которого предназначен для подключения к одному входу блока управления, а к газотурбинному агрегату подключен датчик мощности, выходом подключенный к другому 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 включен датчик напряжения, входы переменного тока которого подключены к выходам блока вспомогательного электрооборудования, а выход указанного датчика предназначен для подключения к третьему входу блока управления.
Блок вспомогательного электрооборудования содержит блок потребителей постоянного тока, входы которого являются входами блока вспомогательного электрооборудования, и блок потребителей переменного тока. Последний своими входами переменного тока соединен с выходами вспомогательного инвертора напряжения, входы которого соединены с одноименными входами блока потребителей постоянного тока. Выходы блока вспомогательного электрооборудования являются входами блока потребителей переменного тока. Пятая группа выходов блока управления предназначена для подключения к управляющим цепям вспомогательного инвертора напряжения.
Новым по сравнению с прототипом является то, что в схему газотурбовоза введен датчик напряжения, выход которого предназначен для подключения к третьему входу блока управления, а его входы переменного тока соединены с входами блока потребителей переменного тока, входящего в блок вспомогательного электрооборудования. Последний, кроме сказанного, включает в себя блок потребителей постоянного тока и вспомогательный инвертор напряжения, однополярные входные зажимы которых объединены между собой и являются входными зажимами блока вспомогательного электрооборудования, которые, в свою очередь, подключены только к основным шинам силовой схемы. А выходы вспомогательного инвертора соединены с входами блока потребителей переменного тока.
Это позволяет эффективно оценивать величину напряжения, подаваемого в блоке вспомогательного электрооборудования к входным зажимам блока потребителей переменного тока, осуществляя, таким образом, не только контроль, но и коррекцию величины питающего напряжения на входе блока потребителей переменного тока в сторону превышения его минимально допустимого значения.
Тем самым при сохранении всех преимуществ работы газотурбовоза, представленных схемой прототипа, обеспечивается устойчивая и бесперебойная работа вспомогательного электрооборудования переменного тока, а значит и эксплуатация силового оборудования газотурбовоза в целом при минимизации числа силовых полупроводниковых преобразователей.
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 газотурбовоза.
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 однонаправленного преобразователя 6 переменного напряжения в постоянное (Солодунов А.М., Иньков Ю.М., Коваливкер Г.Н., Литовченко В.В. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями. - Рига: Зинатне, 1991, с.250), 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 (Солодунов A.M., Иньков Ю.М., Коваливкер Г.Н., Литовченко В.В. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями. - Рига: Зинатне, 1991, с.35); сверхпроводниковый индуктивный накопитель 18 энергии, включающий в себя одну сверхпроводниковую тороидальную индуктивную катушку 19 и шунтирующий ее сверхпроводящий управляемый ключ 20 (Глебов И.А., Шахтарин В.Н., Антонов Ю.Ф. Проблема ввода тока в сверхпроводниковые устройства. - л.: Наука, 1985. с.35.), 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 (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»), 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, между другим выходом 50 которого и другим входом 51 сверхпроводникового накопителя 18 включен датчик 52 тока (датчик тока 52 описан, например, в книге авторов: Хайкин А.Б., Жадобин Н.Е. Элементы судовой автоматики: Учебное пособие. - Л.: Судостроение, 1982, с.217), выход 53 которого предназначен для подключения к первому входу 53 блока управления 26, а к газотурбинному агрегату 1 подключен датчик мощности 54 (датчик мощности 54 описан, например, в книге авторов: Хайкин А.Б., Жадобин Н.Е. Элементы судовой автоматики: Учебное пособие. - Л.: Судостроение, 1982, с.217), своим выходом 55 подключенный к второму входу блока управления 26, первая группа выходов которого предназначена для подключения к управляющим цепям первого полупроводникового преобразователя 6 переменного напряжения в постоянное, вторая группа выходов предназначена для подключения к управляющим цепям второго полупроводникового преобразователя 21 постоянного напряжения в постоянное и к управляющей цепи накопителя 18 энергии, третья и четвертая группы выходов предназначены для подключения соответственно к управляющим цепям тяговых инверторов 14-17 и их входных вентилей 41-48.
Дополнительно в схему включен датчик 56 напряжения (датчик 56 напряжения, описан, например, в книге авторов: Хайкин А.Б., Жадобин Н.Е. Элементы судовой автоматики: Учебное пособие. - Л.: Судостроение, 1982, с.217), входы 57 переменного тока которого подключены к выходам 57 блока 30 вспомогательного электрооборудования. Выход 58 указанного датчика 56 предназначен для подключения к третьему входу 58 блока 26 управления.
Блок 30 вспомогательного электрооборудования содержит блок 59 потребителей постоянного тока, входы 31, 32 которого являются входами 31, 32 блока 30 вспомогательного электрооборудования, и блок 60 потребителей переменного тока, который своими входами 61 переменного тока соединен с выходами вспомогательного инвертора 62 напряжения (Солодунов A.M., Иньков Ю.М., Коваливкер Т.Н., Литовченко В.В. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями. - Рига: Зинатне, 1991, с.35), входы 63, 64 которого соединены параллельно с однополярными входами 31, 32 блока 59 потребителей постоянного тока. Выходы 57 блока 30 вспомогательного электрооборудования являются входами 61 блока 60 потребителей переменного тока. А пятая группа выходов блока 26 управления предназначена для подключения к управляющим цепям вспомогательного инвертора 62 напряжения.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства.
1. Режим долевых тяговых нагрузок газотурбинного агрегата
зар.СПИН
Датчик мощности 54 фиксирует текущее значение мощности газотурбинного агрегата 1 и посылает его в преобразованном виде на вход 55 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. Сверхпроводящий управляемый ключ 20 при этом находится в нормальном - несверхпроводящем состоянии, то есть отключен. Величина тока заряда i фиксируется датчиком тока 52. 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
Ср.хол.хода
Если W>W, то есть превышает расчетное значение, то блок управления 26 по входу 53 получает эту информацию и блокирует подачу управляющих сигналов в вентильную цепь 24 преобразователя 21 и разрешает включить сверхпроводящий управляемый ключ 20, шунтирующий сверхпроводящую индуктивную катушку 19 накопителя 18. В результате сверхпроводниковый накопитель 18 переходит в режим хранения запасенной энергии. При этом блок вспомогательного электрооборудования 30 получает питание от шин постоянного тока 7, 8.
2. Режим холостого хода газотурбинного агрегата
По сигналу датчика мощности 54, 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 сверхпроводящий управляемый ключ 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, которая входит в состав блока 59 потребителей постоянного тока.
тек.XX
ср.XX
2. Если t>t, то энергии, запасенной в сверхпроводниковом накопителе 18 в режиме долевых нагрузок недостаточно для питания вспомогательного электрооборудования 30.
При этом в блоке управления 26 анализируется информация, поступающая в него по каналу 58 от датчика напряжения 56 о величине питающего напряжения на входах 61 блока 60 потребителей переменного тока в блоке вспомогательного электрооборудования 30. Если величина сигнала 58 в датчике 56 меньше минимального напряжения на входах 61, то по сигналам из блока управления 26 осуществляется открытие вентилей первого преобразователя 6 и вентильной цепи 24 второго преобразователя 21. И таким образом, на шинах 7, 8 появляется напряжение, которое поддерживает питающее напряжение потребителей переменного тока 60 в блоке вспомогательного электрооборудования 30 и обеспечивает новый заряд энергией сверхпроводникового накопителя 18. При этом тяговые инверторы 14-17 остаются в выпрямительном режиме, а тяговые двигатели - в генераторном.
В результате в режиме «затянувшегося» холостого хода нагрузкой для газотурбинного агрегата являются блок вспомогательного электрооборудования и сверхпроводниковый накопитель энергии.
Это позволяет расширить пределы стабилизации к.п.д. газотурбинной установки и обеспечить ее устойчивую работу за счет бесперебойного питания потребителей переменного тока в блоке вспомогательного электрооборудования.