Рекуперативное торможение поездов с использованием импульсных энергоемких конденсаторов

УДК 629.4.018

ПисаревЛ.Т., к.т.н., доцент

РЕКУПЕРАТИВНОЕ ТОРМОЖЕНИЕ ПОЕЗДОВ С

ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМПУЛЬСНЫХ ЭНЕРГОЕМКИХ

КОНДЕНСАТОРОВ

Анализ состояния вопроса. Как известно, рекуперативное торможение - это торможение электротранспорта (например, электропоезда, трамвая) или промышленного электропривода, при котором осуществляется рекуперация энергии в результате преобразования механической энергии транспортного средства (или электропривода) в электрическую энергию, отдаваемую в питающую сеть. Рекуперативное торможение основано на свойстве обратимости электрических машин. При рекуперативном торможении тяговый электродвигатель работает в генераторном режиме, создавая необходимый момент сопротивления на валу и тем самым, обеспечивая торможение движущейся системы. Электрическая энергия вырабатывается двигателем-генератором либо за счёт потенциальной энергии электротранспорта при его движении под уклон с постоянной скоростью, либо за счёт кинетической энергии при замедлении движущейся системы. Следовательно, рекуперативное торможение создает возможность экономии топлива. Таким образом, данная задача является актуальной и требующей дальнейшего изучения.

До настоящего времени рекуперативное торможение применялось в электротранспорте для генерирования электроэнергии и возврата ее в контактную сеть. В локомотивном хозяйстве данный способ накопления и использовании энергии не использовался.

Целью настоящей работы является исследование использования конденсаторных батарей при рекуперативном торможении в качестве дополнительного источника энергиию.

Основная часть. Рассмотрим, в каких случаях рекуперативное торможение даёт заметную экономию электрической энергии.

При равномерном движении поезда тяговое усилие двигателя расходуется на преодоление сил трения и сопротивления воздуха (рельефом местности пренебрегаем). Тогда энергия, расходуемая на преодоление сил сопротивления в единицу времени, определяется выражением

Есопр = Етр + Евоз = к тр ^ + к воз V' •

Здесь ктр - коэффициент трения, т - масса поезда, g - ускорение свободного падения, квоз - коэффициент сопротивления воздуха, V -скорость поезда.

Ситуация меняется если состав движется с замедлением или ускорением. В последнем случае требуется дополнительные затраты для сообщения кинетической энергии поезду.

Е кин = 2 .

В таблице 1 приведены зависимости трех различных составляющих энергий за единицу времени от скорости движения поезда.

Таблица 1 - Величины энергий в зависимости от скорости

Скорость,м/с Етр, кДж Евоз ,кДж Екин, кДж

1 10 0,36 500

5 50 9 12500

10 100 36 50000

15 150 81 112500

20 200 144 200000

25 250 225 312500

30 300 324 450000

35 350 441 612500

40 400 576 800000

Как видно из таблицы основная часть потребляемой энергии тратится на изменение скорости. На рисунке 1 приведен график зависимости доли кинетической энергии в общем количестве энергии.

Следует однако учесть, что энергетические затраты на приобретение определенной скорости не зависят от времени движения, т.е. являются величиной постоянной, в то время как затраты против сил трения пропорциональны времени. Следовательно, с увеличением времени движения и с уменьшением значений скоростей доля кинетической энергии общем количестве потребляемой энергии падает. Соответственно, чем больше остановок и торможений на единицу длины пути, тем больше удельный вес энергетических затрат, связанных с Е^. Такой режим движения характерен для электропоездов и маневровых локомотивов.

V, м/сек

Рисунок 1 - Зависимость доли кинетической энергии в общем количестве

потребляемой энергии от скорости

Разумеется, не вся кинетическая энергия может быть вновь использована для последующего разгона поезда. Существуют конечные КПД преобразования - ^пр и КПД использования конденсатора - ^кон. Если принять ^пр=0,6, а ^кон=0,85, то обратимая энергия равна Еобр= Екин*^пр*Лкон = 0,5 Екин. С учетом сказанного, можно примерно определить режимы движения, для которых применение рекуперации может дать заметную экономию. На рисунке 2 приведена кривая, разделяющая режимы движения, пригодные для рекуперации и нет. На осях х и у отложены,

соответственно, скорость движения и длина пути между двумя ближайшими остановками.

Область, расположенная правее кривой, соответствует режимам, для которых целесообразно применение рекуперации, причем, чем правее находится режим движения, тем эффективнее рекуперация.

Для проверки вышеприведенных выкладок был проведен анализ скоростемерных лент при производстве маневровой работы на станции Ясиноватая, который показал, что скорость движения находится в пределах от 0 до 15 км/час. Время разгона и торможения составляет 8-12 сек. Путь, проходимый тепловозом за 12-часовую смену составляет всего 20 - 30 км. Количество остановок колеблется от 60 до 120. Потому, основной составляющей механической работы, производимой тепловозом во время маневров, будет работа, затрачиваемая на увеличение кинетической энергии состава, т.е. разгон состава, за которым следует, как правило, выбег с последующим торможением, при котором запасенная кинетическая энергия гасится тормозными устройствами.

Скорость, м/с

Рисунок 2 - Кривая, разделяющая режимы движения на приемлемые для рекуперации и нет.

Для расчетов выбрана скоростемерная лента за 18.11.05 тепловоза ЧМЭ 3 №6730 (лента имеет хорошее качество регистрирующих линий). На ленте зафиксировано 120 торможений, расход топлива составил 260 кг., пройденный путь по ленте 23 км. Зависимость скорости от пройденного пути на рисунке 3.

Определим величину механической работы Ам, выполненной тепловозом при производстве маневров штатным способом, которая состоит из работы по преодолению сил сопротивления движению поезда Асопр и изменения кинетической энергии поезда Ак.

Ам = Асопр + Ак.

Работа по преодолению сил сопротивления движению поезда определяется из выражения:

л = 1000^ • g wi

¿=1

где m - масса состава, 1000 т;

Si - пройденный путь, 23 км;

w0i - основное удельное сопротивление, 1Н/кН.

А0 = 225,4 МДж.

Работа по изменению кинетической энергии Ак1 без учета

рекуперации определяется по формуле

т "

Аё1 = 1000 • --X

2 1=1

где - начальная скорость, м/сек; vë - конечная скорость, м/сек.

Величина механической работы, связанная с изменением кинетической энергии без учета рекуперации Ак1 , полученная при обработке ленты, равна

Ак1 = 191,6 МДж.

Полная выполненная работа равна

Ам1 = 225,4 + 191,2 = 416,6 МДж.

Если предположить, что половину затрат на изменении кинетической энергии можно рекуперировать, то величина механической работы, совершенной локомотивом будет равна

Ам2 = 225,4 + 191,2 /2 = 321 МДж.

Таким образом, даже при движении с такими малыми скоростями, можно сэкономить около 20% энергии.

Скорость

Рисунок 4 - Зависимость скорости от пройденного пути (скорость дана в

км/час, путь - в сотнях метров)

Если при увеличении скорости происходит дополнительное потребление топлива, то при торможении кинетическая энергия превращается в тепло, выделяющееся в сопротивлениях (реостатное торможение на ЧМЭ3-Т). До недавнего времени на тепловозах не представлялось возможным рекуперировать эту энергию. Объяснялось это отсутствием приемника такого большого количества энергии. Можно было бы использовать штатную аккумуляторную батарею N0150. Однако у данного решения есть ряд существенных недостатков:

1. Аккумуляторы предназначены для заряда/разряда током номинальной величины. Однако применение аккумуляторной батареи в схемах рекуперации связано с кратковременным сильноточным зарядом/разрядом, и именно такой режим работы приводит к преждевременному выходу из строя аккумуляторов.

2. Аккумуляторы сохраняют свою работоспособность только при условии потери не более 60% емкости при температуре +200С. В этом режиме может осуществляться не более 300-500 циклов заряд разряда в зависимости от качества батареи. Восполнение заряда при отрицательных температурах очень затруднительно. Результат - потеря емкости батареи и быстрый выход из строя. При эксплуатации даже при условии хорошего обслуживания потребуются частые замены аккумуляторов.

3. Необходимость в постоянном обслуживании (проверка плотности и долив электролита, зачистка контактов для понижения сопротивления, слежение за утечкой электролита).

4. Сравнительно высокая скорость саморазряда до 14% за месяц, которая прогрессирует в процессе эксплуатации и после 1,5-2 лет работы увеличивается в 5 раз.

5. Низкий КПД в цикле заряд/разряд.

6. Невысокая надежность аккумуляторов при низких температурах.

Вместе с тем, существует электротехническое изделие, способное

накапливать электрическую энергию и отдавать ее в кратчайшие отрезки времени, - конденсатор. Выпускавшиеся до недавнего времени конденсаторы не обладали достаточно большой плотностью энергии, чтобы их можно было рассматривать как альтернативный накопитель энергии. Разработанный недавно импульсный энергоемкий "суперконденсатор" (ИКЭ), обладающий энергетической емкостью в десятки кДж, позволил в корне изменить взгляд на рекуперацию энергии торможения дизеля. В этом случае процесс разгона и торможения будет напоминать колебательный процесс маятника, при котором два вида энергии взаимно превращаются друг в друга.

Рассчитаем необходимую энергетическую емкость импульсных конденсаторов. В качестве исходного режима возьмем работу локомотива ЧМЭ3-Т, рассмотренную выше.

Кинетическая энергия, запасенная локомотивом на скорости 5 м/сек, составит

Ек = ш*У2/2 = 106*25/2 = 12,5МДж.

Для определения емкости ИКЭ обратим внимание на зависимость ЭДС генератора от времени, представленной на рисунке 4 (кривая 1).

Конденсаторы малой емкости будут заряжаться быстро и, следовательно, до высокого напряжения. Однако из-за малой емкости ИКЭ запасенная энергия будет невелика. Напротив, конденсаторы большой емкости будут заряжаться медленно и, следовательно, до невысокого напряжения. И запасенная энергия будет также мала, что иллюстрируется графиками 2 и 3 на рисунке 5.

Рисунок 5 - иё=£(1;), 2 - заряд конденсатора с отсекающим диодом емкостью 2Ф, 3 - заряд конденсатора с отсекающим диодом емкостью 20Ф

Конденсатор, емкостью 2Ф, заряжается за 0,5 сек до напряжения 300В, а конденсатор, емкостью 20Ф - за 2сек до напряжения 135В. Энергия, запасенная первым конденсатором равна

ГП2 2*90000 Е = — = 2 90000 = 90 кДж.

22

Энергия второго конденсатора

20*18225

Е = 20 18225 = 182,25кДж.

В таблице 2 приведены различные значения емкости конденсаторов, максимального напряжения и накопленной энергии.

Таблица 2 - Величины энергий в зависимости от емкости конденсатора и напряжения заряда

С, Ф и, В Е, Дж

2 300 90000

10 195 190125

12 180 194400

14 165 190575

16 155 192200

18 145 189225

20 135 182250

50 70 48400

Выводы. 1. Использование энергоемких конденсаторов в качестве дополнительных источников энергии при неравномерном движении локомотива является более предпочтительным, нежели аккумуляторная батарея.

2. Оптимальная емкость заряжаемого конденсатора должна быть в пределах 10 - 20Ф. Для получения требуемого количества энергии конденсаторы объединяются в батарею.

Список литературы

1. З.Х. Нотик. Тепловозы ЧМЭ3, ЧМЭ3Т, ЧМЭ3Э. Пособие машинисту. М.: Транспорт, 1996. — 444 с.

2. Петров М.В., Сапожников Д.Н., Шумков Е.Б. Моделирование переходного режима работы электропривода тепловозного дизеля. Тезисы II Всероссийской НТК «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве». НГТУ, Н.Новгород, 2000 г

3. Программная оболочка Visual Basic 6.0