Определение параметров преобразователя для использования сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии в составе энергетической установки автономного локомотива

80

Современные технологии - транспорту

ническим содержанием, могут быть экономически целесообразны на участках с высокой грозовой активностью и интенсивным движением поездов.

Библиографический список

1. Системный подход к защите от перенапряжений / А. Д. Манаков // Современные технологии железнодорожному транспорту и промышленности : труды 44-й Всероссийской научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2006. - С. 65-72.

2. Защищённые подходы к трансформаторам питания устройств железнодорожной автоматики и телемеханики / Д. В. Гавзов, А. Д. Манаков, А. В. Давыдов, В. А. Шатохин // Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте : сборник докладов 2-й Международной научно-практической конференции (Сочи, ОК «Дагомыс», 11-14 октября 2005 г.). - Ростов-на-Дону, 2005. - С. 165-170.

3. Методические указания по защите распределительных электрических сетей напряжением 0,4-10 кВ от грозовых перенапряжений, № регистрации 24.0086 / Федеральная сетевая компания единой энергетической сети (ОАО «ФСК ЕЭС»). Открытое акционерное общество по проектированию сетевых и энергетических объектов (ОАО «РОСЭП»). - М., 2004. - 78 с.

4. Основы радиотехники и радиолокации. Кн. 1. Колебательные системы / А. М. Калашников, Ю. В. Степук. - М. : МО СССР, 1959. - 355 с.

5. Защита устройств связи и СЦБ / И. Г. Евсеев. - М. : Транспорт, 1982. - 176 с.

Статья поступила в редакцию 15.02.2011;

представлена к публикации членом редколлегии Вл. В. Сапожниковым.

УДК 629.42.064.5

В. В. Никитин, Е. Г. Середа

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВЕРХПРОВОДНИКОВОГО ИНДУКТИВНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ В СОСТАВЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ АВТОНОМНОГО ЛОКОМОТИВА

Предлагается преобразовательное устройство, обеспечивающее согласование характеристик сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии с источниками и приемниками электрической энергии традиционного исполнения в составе энергетической установки перспективного автономного локомотива. Определены параметры элементов, входящих в состав преобразователя, осуществляющего режимы заряда и разряда сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии.

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

81

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

Введение

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 в сфере транспортной энергетики становится актуальной задача сокращения расхода топлива автономными транспортными средствами, к которым предъявляется ряд жестких требований: высокая экономичность, экологичность, надежность, возможность работы на дешевых видах топлива, низкая стоимость обслуживания, низкие массогабаритные показатели.

По оценкам специалистов [1], [2], возможности дизельных двигателей в части повышения удельной мощности, сокращения расходов на топливо и уменьшения вредных выбросов в атмосферу близки к предельным. С другой стороны, машиностроительные предприятия сейчас могут предложить транспорту достаточно экономичные и надежные газотурбинные двигатели (ГТД), которые способны работать на дешевых видах топлива, позволяют снизить вредные выбросы в атмосферу и существенно сократить эксплуатационные расходы транспортных предприятий. Кроме того, применение ГТД на локомотивах позволит создавать автономные локомотивы такой же мощности, как электровозы, что значительно сократит простои вагонов на станциях стыкования электрифицированных и неэлектрифицированных железных дорог.

По этим причинам в различных странах, в том числе в России [1], [3],

[4], вновь возрождается интерес к газотурбовозам и турбопоездам, приняты долгосрочные программы исследовательских и опытно-

конструкторских работ.

Недостатком ГТД является существенная зависимость экономичности и количества вредных выбросов в атмосферу от развиваемой мощности. Одним из путей решения проблемы является использование накопителей энергии, которые позволят обеспечить работу ГТД с нагрузкой, близкой к номинальной, повышая его экономичность, а избыточную в режимах долевых тяговых нагрузок энергию - аккумулировать [5]. В дальнейшем эту энергию можно использовать как для тяговых нужд (например, повысить мощность локомотива сверх мощности первичного двигателя при особо тяжелых условиях движения), так и для вспомогательных нужд (маневровые передвижения и питание вспомогательного электрооборудования без запуска ГТД, запуск ГТД).

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2011/1

82

Современные технологии - транспорту

Наилучшими показателями среди возможных перспективных вариантов исполнения накопителей высокой энергоемкости (300 МДж и более) обладает сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии (СПИН), который характеризуется высокой удельной энергоемкостью, практически неограниченным числом зарядно-разрядных циклов и возможностью неограниченно длительного хранения энергии [6], [7].

1 Особенности использования СПИН

СПИН, как приемник и источник энергии, обладает следующими особенностями: медленно меняющимся током и низким напряжением. Эти особенности определяются весьма малым омическим сопротивлением цепи заряда-разряда и затрудняют его непосредственное подключение к источникам и приемникам энергии традиционного исполнения (генераторам и двигателям).

1.1 Особенности заряда СПИН

Источниками электрической энергии на современных автономных локомотивах являются синхронные генераторы (СГ), приводимые во вращение первичным тепловым двигателем.

Заряд СПИН от выпрямителя, установленного на выходе СГ, наиболее целесообразно осуществлять через промежуточный ёмкостный накопитель энергии (ЕН) [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.

В случае непосредственного подключения ЕН к выходу выпрямителя броски тока в процессе заряда существенно превысят значения, допустимые для силовых полупроводниковых ключей, осуществляющих коммутацию. Если для ограничения этих бросков использовать активные сопротивления, это приведет к существенному снижению КПД процесса заряда промежуточного ЕН, а следовательно и СПИН. Большей эффективностью в этом отношении обладают схемы с использованием токоограничивающих реакторов [9]. Исследования, проведенные ранее, показали, что наилучшими характеристиками обладает схема с включением токоограничивающих реакторов после выпрямительного устройства [10].

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

83

1.2 Особенности разряда СПИН

Особенности СПИН как источника энергии определяются тем, что статическая вольт-амперная характеристика СПИН представляет собой характеристику источника тока (рис. 1, кривая 1), величина которого определяется запасенной энергией.

Определим виды вольт-амперных характеристик, необходимых для питания различных бортовых потребителей энергии:

для электроприводов вспомогательных механизмов - источник энергии должен обладать вольт-амперной характеристикой источника напряжения (рис. 1, кривая 2);

для тяговых нужд - источник энергии должен обладать вольт-амперной характеристикой постоянства мощности (рис. 1, кривая 3), которая может быть получена из семейства характеристик источника напряжения при условии регулирования напряжения (штриховые линии на рис. 1).

Таким образом, обеспечение требуемого вида вольт-амперной характеристики на входе потребителя возможно лишь при наличии промежуточного преобразователя медленно меняющегося тока в напряжение, поддерживаемое практически постоянным. Таким преобразователем может являться ЕН малой энергоемкости. В этом случае разряд СПИН будет происходить путем импульсной перекачки энергии через ЕН, напряжение которого должно поддерживаться изменяющимся в весьма узком диапазоне.

Для питания потребителей как трехфазного, так и постоянного тока на выходе промежуточного ЕН должны быть включены автономный инвертор напряжения (АИН) и широтно-импульсный преобразователь постоянного напряжения (ШИМ).

1.3 Принципиальная схема преобразователя

С учетом особенностей работы СПИН была разработана схема преобразователя, представленная на рисунке 2.

На схеме приняты следующие обозначения: СПК - сверхпроводящий ключ, расположенный в холодной зоне СПИН (внутри криостата) и обеспечивающий режим «замороженного потока» при длительном хранении энергии; K1 - полностью управляемый полупроводниковый ключ, расположенный в теплой зоне (вне криостата) и обеспечивающий режим кратковременного хранения энергии в интервалах заряда или разряда промежу-

Рис. 1. Вольт-амперные характеристики СПИН и бортовых потребителей энергии

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2011/1

84

Современные технологии - транспорту

точного ЕН; К2, К5 - полностью управляемые полупроводниковые ключи, предназначенные для подключения промежуточного ЕН к СПИН в режиме заряда; К3, К4 - полностью управляемые полупроводниковые ключи, предназначенные для подключения промежуточного ЕН к СПИН в режиме разряда; К6 - полностью управляемый полупроводниковый ключ, осуществляющий соединение ЕН с управляемым выпрямителем; К7 - полностью управляемый полупроводниковый ключ, осуществляющий соединение ЕН с автономным инвертором АИН и/или широтно-импульсным преобразователем постоянного напряжения ШИМ; Ьтр - токоограничивающий реактор; УВ - управляемый выпрямитель.

Работа схемы в режиме заряда. Ключ К7 постоянно разомкнут. При замыкании ключа К6 (К2-К5 - разомкнуты, К1 - замкнут и обеспечивает режим хранения энергии СПИН) происходит заряд промежуточного ЕН, а при замыкании К2 и К5 (К1 - разомкнут, К6 - разомкнут) происходит разряд промежуточного ЕН на СПИН.

Работа схемы в режиме разряда. Ключ К6 постоянно разомкнут, а К7 постоянно замкнут. Перед началом работы происходит заряд промежуточного ЕН до заданного номинального напряжения. При падении напряжения на промежуточном ЕН до заданного минимального значения замыкаются полупроводниковые ключи К3, К4 и размыкается ключ К1, происходит дозаряд промежуточного ЕН от СПИН. При достижении на конденсаторе заданного номинального напряжения замыкается полупроводниковый ключ К1, СПИН переходит в режим кратковременного хранения энергии, ключи К3, К4 размыкаются, отключая ЕН от СПИН.

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

85

2 Анализ схемы заряда СПИН

Процесс заряда СПИН происходит в два этапа: заряд промежуточного ЕН от СГ через УВ; разряд промежуточного ЕН на СПИН. Рассмотрим эти этапы более подробно.

2.1 Заряд промежуточного ЕН

Проанализируем влияние емкости промежуточного ЕН и индуктивности токоограничивающего реактора на мощность заряда ЕН, а следовательно и СПИН. Для этого рассмотрим схему замещения зарядной цепи промежуточного ЕН, представленную на рис. 3.

^—

Ud

т

^—

К

R

LTP

S~Y~Y~\

ЕН

Рис. 3. Схема замещения зарядной цепи промежуточного ЕН

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

напряжение на выходе выпрямителя считается постоянным.

В частном случае, когда активное сопротивление реактора близко к нулю, выражения для времени заряда и значения максимального тока заряда ЕН имеют вид:

t3 = T = п -у/ LTP • C ;

Im = Ud •

C

L

ТР

Следует отметить, что при включении токоограничивающего реактора после выпрямительных диодов промежуточный ЕН будет заряжаться до удвоенного напряжения на выходе выпрямителя [9]. Тогда энергия, накапливаемая в промежуточном ЕН за один цикл заряда, составит:

C • U2

W = = 2 • C • U],

2d

где иК - напряжение на промежуточном ЕН в конце заряда.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2011/1

86

Современные технологии - транспорту

Из (1) и (2) определим время заряда промежуточного ЕН в зависимости от напряжения на выходе выпрямителя, максимального значения тока в процессе заряда и емкости накопителя:

t -п

C • U I

С учетом времени переключения полупроводниковых приборов из непроводящего в проводящее состояние и обратно минимальное время заряда и разряда ЕН для эффективной работы преобразователя примем на порядок больше, обозначим его /пер.

Минимальное значение для емкости промежуточного ЕН будет ограниченно минимально допустимым временем заряда, равным /пер. Из (4) получим выражение для емкости:

t I

C > пер m

п Ud

Из (2) можно определить индуктивность токоограничивающего реактора в зависимости от емкости промежуточного ЕН:

U2

L - d • С

Т-ЛР 2 ° •

Выражение для мощности заряда промежуточного ЕН получим, разделив выражение (3) на (4):

W 2

P - —- —• I • U

1з . 1m Ud-

L п

Из выражения (7) видно, что мощность при заряде промежуточного ЕН зависит от напряжения на выходе выпрямителя и от максимально допустимого тока в процессе заряда и не зависит от емкости промежуточного ЕН и от индуктивности токоограничивающего реактора.

2.2 Разряд промежуточного ЕН на СПИН

Определим минимальное значение емкости промежуточного ЕН из условия ограничения минимального времени разряда промежуточного ЕН на СПИН. Время одного цикла разряда промежуточного ЕН будет уменьшаться в процессе заряда СПИН и достигнет своего минимального значения при /СПИН = *СПИН max.

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

87

Для этого рассмотрим схему замещения разрядной цепи промежуточного ЕН на СПИН, представленную на рисунке 4.

При анализе работы схемы сделаны следующие допущения:

активные сопротивления проводов принимаем равными нулю;

ток СПИН за один цикл разряда промежуточного ЕН, в конце заряда СПИН, принимаем постоянным (изменение тока меньше 1%).

Учитывая, что ток конденсатора

L

Рис. 4. Схема замещения разрядной цепи промежуточного ЕН на СПИН

„ duC iC = C---—

C dt

получим выражения для определения емкости промежуточного ЕН в зависимости от минимального времени разряда, равного ^ер при условии, что для одного цикла разряда промежуточного ЕН изменение напряжения равно удвоенному напряжению на выходе выпрямителя:

C >

^ПИН max ^ер

2 • U

Расчеты показывают, что ток СПИН за один цикл разряда промежуточного ЕН можно принять практически постоянным уже при запасенной энергии СПИН более 10 % от максимального значения.

Из (8) выразим время одного цикла разряда промежуточного ЕН в зависимости от текущего тока СПИН ^пин

t

р

2 • Ud • C

^ПИН

Получим выражение для мощности разряда промежуточного ЕН на СПИН, разделив выражение (3) на (10):

W

Рр = ~ = ^ПИН • Ud .

гр

Из выражения (11) видно, что мощность при разряде промежуточного ЕН на СПИН зависит от напряжения на выходе выпрямителя и от текущего тока СПИН и не зависит от емкости промежуточного ЕН и индуктивности СПИН, как и в случае заряда промежуточного ЕН.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2011/1

88

Современные технологии - транспорту

3 Анализ схемы разряда СПИН

Рассмотрим схему замещения цепи разряда СПИН через промежуточный ЕН, представленную на рисунке 5.

К • _ /н >К нагрузке

f A /спин + 4 - '—j с , t U0 1

К нагрузке

Рис. 5. Схема замещения цепи разряда СПИН через промежуточный ЕН

Напряжение Uo на промежуточном ЕН является входным напряжением для АИН и/или ШИМ, поэтому для обеспечения их нормального функционирования должно изменяться в весьма узком диапазоне AU.

Промежуточный ЕН разряжается током /н , величина которого зависит от мощности потребителей, а дозаряжается током СПИН /спин , величина которого на протяжении одного цикла дозаряда остается практически неизменной. Время дозаряда промежуточного ЕН зависит от текущего тока СПИН и увеличивается в процессе разряда последнего. Минимальное время дозаряда промежуточного ЕН будет меньше времени разряда, поскольку /-СПИН max > %

С учетом (8) определим минимальное значение емкости промежуточного ЕН из условия ограничения минимального времени дозаряда промежуточного ЕН (на напряжение AU) от СПИН, равного /пер!

C >

/СПИН max ^пер

AU

4 Определение параметров схемы преобразователя

Рассмотрим пример расчета при следующих исходных данных: напряжение на выходе выпрямителя Ud = 500 В; максимальный ток СПИН /спин max = 2000 А;

максимально допустимый бросок тока при заряде промежуточного ЕН Im = 2000 А;

минимальное время заряда и разряда ЕН /пер =1 мс;

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

89

напряжение на промежуточном ЕН при разряде СПИН Uq = 540 В (из условия питания АИН, на выходе которого трехфазное напряжение величиной 220 В);

размах пульсации напряжения на промежуточном ЕН при разряде СПИН AU = 0,05- U0 = 27 В.

Определим минимальное значение емкости промежуточного ЕН преобразователя исходя из полученных выше выражений:

при заряде промежуточного ЕН от СГ через УВ (по (5)):

t I

C > пер m

п и,

1 10 ~3

п

2000

500

= 1270 мкФ;

при разряде промежуточного ЕН на СПИН (по (9)):

C >

СпИН max Сер

2 • Ud

2000 -1-10"3 2 - 500

= 2000 мкФ;

при дозаряде промежуточного ЕН от СПИН (по (12)):

C >

!СПИНmax ' Сер 2000 " 1 "10 3

IU 27

= 74 000 мкФ.

В режиме заряда СПИН промежуточный ЕН должен быть рассчитан на напряжение в 2Uj = 1000 В, а в режиме разряда - на Uq = 540 В.

Параметры элементов схемы преобразователя существенно зависят от характеристик источника питания и потребителей энергии. Для предложенного варианта исходных данных в случае создания преобразователя с единым промежуточным ЕН его емкость необходимо выбирать из режима разряда СПИН, а напряжение - из режима заряда.

Согласно формуле (6), индуктивность токоограничивающего реактора прямо пропорциональна емкости промежуточного ЕН. Если выбирать емкость промежуточного ЕН по режиму разряда СПИН, это приведет к увеличению индуктивности и, соответственно, массогабаритных параметров и стоимости токоограничивающего реактора в режиме заряда почти в сорок раз для предложенного варианта исходных данных.

На основании изложенного можно сделать вывод о необходимости двух отдельных схем: для заряда СПИН и для разряда СПИН, с двумя разными промежуточными ЕН. Это приведет к уменьшению индуктивности токоограничивающего реактора, так как она будет определяться по емкости промежуточного ЕН, полученной из условия ограничения времени его разряда на СПИН.

Индуктивность токоограничивающего реактора составит (по (6)):

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2011/1

90

Современные технологии - транспорту

L

ТР

72 5002

-f-• С =----г- • 2000Т0~6 = 0,0125 мГн.

/2 20002

т

Заключение

При питании бортовых потребителей обеспечение требуемого вида вольт-амперной характеристики на входе возможно лишь при наличии промежуточного преобразователя медленно меняющегося тока СПИН в напряжение, поддерживаемое практически постоянным. Таким преобразователем может являться ЕН малой энергоемкости.

В предложенной схеме преобразователя для режима заряда СПИН:

мощность при заряде промежуточного ЕН от СГ зависит от напряжения на выходе выпрямителя и от максимально допустимого тока в процессе заряда и не зависит от емкости промежуточного ЕН и от индуктивности токоограничивающего реактора;

мощность при разряде промежуточного ЕН на СПИН зависит от напряжения на выходе выпрямителя и от текущего тока СПИН и не зависит от емкости промежуточного ЕН и индуктивности СПИН;

индуктивность токоограничивающего реактора прямо пропорциональна емкости промежуточного ЕН.

Параметры элементов схемы преобразователя существенно зависят от характеристик источника питания и потребителей энергии. Возможен вариант, при котором более целесообразным будет создание двух независимых преобразователей - отдельно для режима заряда и разряда с двумя промежуточными ЕН.

Библиографический список

1. Турбопоезда на железных дорогах Северной Америки // Железные дороги мира. - 1996. - № 5. - С. 28-31.

2. Перспективы применения газотурбинных двигателей с использованием альтернативных топлив на железнодорожном транспорте / Е. Е. Косов // Конверсия в машиностроении. - 2001. - № 1. - С. 43-46.

3. Газотурбинная тяга: история и перспективы / В. С. Коссов, Э. И. Нестеров // Локомотив. - 2005. - № 3. - С. 39-41.

4. Маневровый газотурбовоз / Е. Е. Косов // Транспорт Российской Федерации. -2007. - № 10. - С. 18-19.

5. 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.

6. Накопители энергии : учеб. пособие для вузов / Д. А. Бут, Б. Л. Алиевский, С. Р. Мизюрин, П. В. Васюкевич; ред. Д. А. Бут. - М. : Энергоатомиздат, 1991. - 400 с.

7. Об энергоемкости накопителя энергии для тепловоза / В. Н. Носков, М. Ю. Пустоветов // Вестник ВНИИЖТа. - 2008. - № 5. - С. 42-44.

2011/1

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту 91

8. 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.

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

10. Анализ схемы заряда сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии через промежуточный емкостный накопитель / Е. Г. Середа // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2009. - № 2. - С. 60-70.

Статья поступила в редакцию 25.05.2010;

представлена к публикации членом редколлегии В. В. Сапожниковым.

УДК 629.424.1 А. В. Фролов

ПОВЫШЕНИЕ ТЯГОВЫХ СВОЙСТВ ТЕПЛОВОЗОВ

Рассматривается проблема повышения тяговых свойств локомотивов. Анализируются теоретические и практические методы борьбы с боксованием на тяговом подвижном составе. Для исследования переходных процессов в электрической передаче тепловоза разработана математическая модель, построенная в программном пакете MatLab.

тяговый электродвигатель тепловоза, боксование колёсной пары, сцепление колеса с рельсом.

Введение

С ростом пассажирских перевозок и повышением веса грузовых поездов вопрос о сцеплении в зоне колесо-рельс продолжает быть актуальным. Нарушение сцепления приводит к резкому снижению реализуемой на ведущем колесе касательной силы тяги и способствует развитию вредоносного явления боксования в режиме тяги и явления юза в режиме торможения.

Эта проблема встала особенно остро после внедрения в качестве тяги электропривода. Как известно, электродвигатели постоянного тока последовательного возбуждения наряду с хорошими тяговыми свойствами обладают повышенной склонностью к боксованию.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2011/1