Анализ схемы заряда сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии через промежуточный ёмкостный накопитель

Современные технологии - транспорту

61

Статья поступила в редакцию 27.04.2009;

представлена к публикации членом редколлегии Л. С. Блажко.

УДК 629.42.064.5

Е. Г. Середа

АНАЛИЗ СХЕМЫ ЗАРЯДА СВЕРХПРОВОДНИКОВОГО ИНДУКТИВНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ ЧЕРЕЗ ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ ЕМКОСТНОЙ НАКОПИТЕЛЬ

Сравниваются варианты преобразовательного устройства, обеспечивающего заряд сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии от тягового синхронного генератора перспективного автономного локомотива. Заряд индуктивного накопителя целесообразно осуществлять через промежуточный емкостной накопитель малой энергоемкости. Выполнен анализ схем включения токоограничивающих реакторов при заряде промежуточного емкостного накопителя.

накопитель энергии; газотурбинный двигатель; транспортное средство; электрическая передача.

Введение

Одним из перспективных путей повышения эффективности автономных локомотивов является использование накопителей энергии, которые позволяют повышать экономичность первичного теплового двигателя (ПТД) путем создания дополнительной нагрузки на его валу в режимах долевых тяговых нагрузок [1]. Аккумулированная энергия в дальнейшем может быть использована для тяговых или собственных нужд локомотива. Наилучшими удельными показателями (отношение массы к запасаемой энергии, отношение объема занимаемого пространства к запасаемой энергии) характеризуются сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии (СПИН). Специфика СПИН, как элемента энергетической цепи первичный тепловой двигатель - синхронный генератор - накопитель энергии, определяет целесообразность заряда его через промежуточный емкостной накопитель (ЕН) малой энергоемкости [2]. В этом случае заряд СПИН будет проходить поэтапно, принимая характер импульсной накачки энергии. Преимущества такого варианта состоят в том, что тяговый синхронный генератор (ТСГ) освобождается от работы с большими, медленно меняющимися токами, в результате чего появляется возможность гибко регулировать величину и длительность дополнительной нагрузки ПТД в

62

Современные технологии - транспорту

зависимости от различных внешних условий. При достаточно частых импульсах заряда промежуточного ЕН ПТД, вследствие своей инерционности, будет воспринимать не импульсную, а некоторую среднюю дополнительную нагрузку.

1 Варианты заряда промежуточного ЕН

Непосредственное подключение ЕН к выходу трехфазного выпрямителя приведет к появлению больших токовых выбросов на начальном этапе заряда, недопустимых для силовых полупроводниковых ключей. Для ограничения этих выбросов необходимо включать в цепь заряда дополнительные сопротивления. Очевидно, что на активном сопротивлении будут выделяться значительные тепловые потери, существенно снижающие КПД заряда промежуточного ЕН. Значительно большей эффективностью в этом отношении обладают схемы с использованием токоограничивающих реакторов, позволяющие получить КПД, близкий к единице [3].

2 Схемы включения токоограничивающих реакторов в цепь заряда промежуточного ЕН

Рассмотрим две схемы включения токоограничивающих реакторов: в каждой фазе выпрямительного устройства (индуктивностями до диодов) и с токоограничивающими реакторами, включенными на стороне выпрямленного напряжения (индуктивностями после диодов). Сравним схемы из условия накопления одинаковой энергии в промежуточном ЕН. Исследования, проведенные ранее показали, что при ограничении начальных бросков тока до одинаковой величины, индуктивность токоограничивающих реакторов в схеме с индуктивностями до диодов составляет 75% от схемы с индуктивностями после диодов.

2.1 Схема включения токоограничивающих реакторов до выпрямительных диодов

На рис. 1 представлена схема заряда СПИН через промежуточный ЕН с токоограничивающими реакторами, включенными в каждой фазе выпрямительного устройства.

62

Современные технологии - транспорту

63

Назначение элементов принципиальной схемы:

eA, eB, eC - трехфазный источник питания, обмотки которого соединены по схеме звезда;

La, Lb, Lc, - токоограничивающие реакторы, включенные в каждой фазе выпрямительного устройства;

С - промежуточный емкостной накопитель;

R - активное сопротивление цепи заряда;

К1 - полупроводниковый ключ, осуществляющий подключение промежуточного ЕН к трехфазному источнику питания;

К2 - полупроводниковый ключ, осуществляющий подключение промежуточного ЕН к СПИН;

КЗ - полупроводниковый ключ, обеспечивающий контур для протекания тока СПИН при заряде промежуточного ЕН.

При замыкании ключа К1 (К2 - разомкнут, КЗ - замкнут и обеспечивает режим хранения энергии СПИН) происходит заряд промежуточного ЕН, а при замыкании К2 (К1 - разомкнут, КЗ - разомкнут) происходит разряд промежуточного ЕН на СПИН.

При коммутации ключей возникают переходные процессы, которые описываются дифференциальными уравнениями высокого порядка с изменяющимися начальными условиями. Аналитическое решение этих уравнений вызывает значительные трудности [3].

Поэтому для исследования процесса заряда СПИН через промежуточный ЕН составлена компьютерная модель в программе MatLab Simulink.

Все дальнейшие расчеты для схемы с включением токоограничивающих реакторов до диодов проведены при следующих исходных данных:

индуктивность фазы статорной обмотки синхронного генератора Lr = 0,1 мГн;

64

Современные технологии - транспорту

индуктивность токоограничивающего реактора LTP = 0,9 мГн; LA = LB =

Lc = Lp + Lтp = 1 мГ н;

активное сопротивление фазы обмотки статора синхронного генератора гГ = 0,25 мОм;

сопротивление нагрузки (цепи выпрямленного тока) гН = 8,6 мОм;

емкость ЕН С = 300 000 мкФ;

напряжение на выходе выпрямителя Ud = 500 В.

_______ - напряжение

Рис. 2. Временные диаграммы при заряде ЕН с индуктивностями до диодов

Временные диаграммы переходного процесса при однократном цикле заряда промежуточного ЕН и его нулевом начальном напряжении приведены на рис. 2, которые показывают зависимости токов и напряжений на ЕН и в трех фазах СГ (A, B и С).

Ток заряда ЕН носит колебательный характер.

Видна существенная несимметрия фазных токов ТСГ.

2.2 Схема включения токоограничивающих реакторов после выпрямительных диодов

На рис. 3 представлена схема заряда СПИН через промежуточный ЕН с токоограничивающими реакторами, включенными на стороне выпрямленного напряжения.

Назначение элементов принципиальной схемы аналогично схеме на рис. 1, отличие заключается во включении токоограничивающего реактора L на стороне выпрямленного напряжения.

При анализе работы схемы сделаны следующие допущения: активно-индуктивные сопротивления, включенные на стороне переменного тока в каждой фазе зарядного устройства, равны нулю;

64

Современные технологии - транспорту

65

напряжение на выходе выпрямителя считается постоянным и равным

по величине

Ud =

3-л/3

• с/

где Um амплитуда фазного напряжения син-

71

хронного генератора.

На основании сделанных допущений получим эквивалентную схему замещения зарядных цепей с реактором, включенным на стороне выпрямленного напряжения, представленную на рис. 4.

У

Г^Г^П\

Рис. 4. Схема замещения зарядной цепи с индуктивностями после диодов

Переходной процесс, в схеме замещения представленной на рис.4, описывается дифференциальными уравнениями, составленными по второму закону Кирхгофа с нулевыми начальными условиями [4]:

Ljt*Ri^\>dt=u„.

Решением дифференциального уравнения (1) при нулевых начальных условиях будет ток заряда промежуточного ЕН i(t):

66

Современные технологии - транспорту

І ~7~ Є S t sin 't \ со L

где s = %L;

1 R

2

- собственная угловая частота.

LC 412

При этом амплитуда зарядного тока и время ее наступления:

1

(т=—агс(§

со у 5 j

Напряжение на промежуточном ЕН изменяется по закону:

uC

<>Utf

1 — e

-St

-siaco't + cos co't

При полной зарядке напряжение, до которого оказывается заряжен промежуточный ЕН:

Uch = U

C max

= Ud

r s '

-n-1 + e <

при времени полной зарядки t3 = T = у^у, где Т - длительность полупериода собственных колебаний цепи.

В частном случае, когда активное сопротивление реактора близко к нулю получим я-> о е/-> <»о = Решения (2) и (3) приобретают

следующий вид:

«cO^rfi-cos^;

tm = ~^lc ; t3=T = kJlc ; /„, = udJ— = n

cud

t

з

Uch

~UCmax~2Ud

Результаты расчета по формулам (4) и (5) приведены на рис. 5.

66

Современные технологии - транспорту

67

Рис. 5. Расчетные кривые при заряде ЕН с индуктивностями после диодов

Поскольку в схеме с включением токоограничивающих реакторов до выпрямительных диодов, по сравнению с включением после, конечное напряжение на конденсаторе в два раза выше, очевидно, что для накопления одинаковой энергии емкость промежуточного ЕН может быть уменьшена в четыре раза.

Расчеты для схемы с включением токоограничивающих реакторов после выпрямителя проведены при следующих исходных данных:

индуктивность фазы статорной обмотки синхронного генератора ЬГ = 0,1 мГн;

индуктивность токоограничивающего реактора ЬТР = 4 мГ н;

активное сопротивление фазы обмотки статора синхронного генератора гГ = 0,25 мОм;

сопротивление нагрузки (цепи выпрямленного тока) гН = 8,6 мОм;

емкость ЕН С = 75 000 мкФ;

напряжение на выходе выпрямителя Ud = 500 В.

Заряд промежуточного ЕН происходит за полпериода собственных колебаний при этом конденсатор заряжается до удвоенного значения напряжения на выходе трехфазного выпрямителя (6).

В реальных схемах всегда присутствует активное и индуктивное сопротивление обмоток генератора не указанное на рис. 3, что позволяет учесть компьютерная модель в программе MatLab Simulink.

Временные диаграммы переходного процесса для указанного случая при однократном цикле заряда промежуточного ЕН и его нулевом начальном напряжении приведены на рис. 6.

68

Современные технологии - транспорту

------- - напряжение

Рис. 6. Временные диаграммы при заряде ЕН с индуктивностями после диодов

3 Сопоставление схем включения токоограничивающих реакторов

Для сравнения схем включения реакторов совмещены временные диаграммы токов и напряжений на промежуточном ЕН (рис. 7). Там же приведены результаты аналитического расчета (кривые 3 и 4).

68

Современные технологии - транспорту

69

Рис. 7. Сопоставление временных диаграмм при заряде ЕН

1 - ic(t) индуктивности после диодов, uc(0)=0 (MatLab Simulink);

2 - uc(t) индуктивности после диодов, uc(0)=0 (MatLab Simulink);

3 - ic(t) индуктивности после диодов, uc(0)=0 аналитический расчет по (4);

4 - uc(t) индуктивности после диодов, uc(0)=0 аналитический расчет по (5);

5 - ic(t) индуктивности до диодов, uc(0)=0 и uc(кон)=Ud (MatLab Simulink);

6 - uc(t) индуктивности до диодов, uc(0)=0 и ^(кон^и (MatLab Sim-ulink).

Некоторое расхождение в амплитуде зарядного тока и конечном напряжении на промежуточном ЕН (примерно 10%) объясняется включением в математическую модель индуктивности фаз обмоток тягового синхронного генератора и активного сопротивления проводов и полупроводниковых приборов.

На параметры процесса заряда промежуточного ЕН оказывает влияние начальное напряжение.

Как указывалось выше, заряд СПИН до максимальной энергии происходит поэтапно, за большое количество одиночных циклов заряда и разряда промежуточного ЕН.

70

Современные технологии - транспорту

Для оценки влияния начального напряжения заряда промежуточного ЕН в схеме с включением токоограничивающих реакторов после диодов произведены расчеты и построены зависимости времени заряда СПИН, величины средней мощности, потребляемой от ТСГ при заряде СПИН и среднего тока ТСГ (рис. 8).

70

Современные технологии - транспорту

71

Рис. 8. Влияние начального напряжения заряда ЕН на время заряда СПИН

В схеме с включением токоограничивающих реакторов до выпрямительных диодов время заряда СПИН, величина средней мощности, потребляемой от ТСГ при заряде СПИН, и средний ток ТСГ зависит как от начального напряжения заряда промежуточного ЕН, так и от конечного напряжения заряда ЕН.

Предварительные исследования показали, что наименьшее время заряда достигается при конечном напряжении заряда конденсатора равном ис(кон) = 0,8 Ud. Поэтому на рис .8 так же приведены зависимости времени заряда СПИН, величины средней мощности, потребляемой от ТСГ при заряде СПИН, и среднего тока ТСГ от начального напряжения заряда промежуточного ЕН при конечном напряжении заряда ис(кон) = 0,8 Ud. Заключение

В схеме с включением токоограничивающих реакторов после диодов конечное напряжение на промежуточном ЕН зависит от глубины разряда на СПИН и при полном разряде может достигать удвоенного значения выпрямленного напряжения.

Наименьшее время заряда и наибольшая мощность потребляемая от ТСГ, для схемы с включением токоограничивающих реакторов после диодов, достигается при полном разряде промежуточного ЕН на СПИН.

Схема с включением токоограничивающих реакторов после выпрямительного устройства обеспечивает:

меньшие суммарные массогабаритные показатели токоограничивающих реакторов и промежуточного ЕН;

меньшую скорость нарастания начального броска тока;

минимальное время заряда СПИН;

больший диапазон регулирования средней мощности, потребляемой от ТСГ при заряде СПИН.

Библиографический список

1. Способ применения сверхпроводникового накопителя энергии (СПИН) для повышения экономичности грузовых газотурбовозов / А. И. Хожаинов, В. В. Никитин, Г. Е. Середа // Транспорт Российской Федерации. - 2007. - № 7. - С. 29-31.

2. Пат. 2259284 Российская Федерация, МКИ3 B 60 M 3/06, B 60 L 7/12. Тяговая подстанция постоянного тока со сверхпроводниковым индуктивным накопителем энергии / Быкадоров А. Л., Заруцкая Т. А., Петрушин А. Д., Фигурнов Е. П.; заявитель и патентообладатель Быкадоров А. Л., Заруцкая Т. А., Петрушин А. Д., Фигурнов Е. П. -№ 2003104912/11; заявл. 18.02.03; опубл. 27.08.05, Бюл. № 24 (I ч.). - 6 с. : ил.

3. Основы теории зарядных цепей емкостных накопителей энергии / И. В. Пентегов. - Киев : Наукова думка, 1982. - 213 с.

4. Теоретические основы электротехники. Т. 1. / Л. Р. Нейман, К. С. Демирчян. - М.: Энергия, 1981. - 142 с. - ISBN 5-7854-9807-4.