ГАЗОТУРБОВОЗ

Полезная модель относится к области локомотивостроения, а именно, к автономным локомотивам с газотурбинным первичным двигателем.
Известна схема рельсового подвижного состава с дизельным первичным двигателем и емкостным накопителем энергии (см. статью «Einsatzmoglichkeiten von Energiespeichem in dieselbetriebenen Schienenfahrzeugen», авт.Heinz Steinegger, опубликов. в ж. «Eisenbahningenieur», 2003. 54, №12, С.17-19, нем.), посвященная возможности экономии энергии на тепловозной тяге.
Указанная схема электропередачи содержит дизельный двигатель, вращающий синхронный генератор, который через статический преобразователь напряжения и частоты питает асинхронные тяговые двигатели. К шинам постоянного тока преобразователя подключен емкостный накопитель энергии в виде батареи конденсаторов или аккумуляторной батареи. Это позволяет использовать энергию рекуперативного торможения тяговых двигателей для заряда накопителя и по мере необходимости возвращать накопленную энергию в шины постоянного тока для питания цепей собственных нужд тепловоза. Однако увеличение веса поездов и скорости движения требуют повышения мощности локомотива, а секционная мощность тепловоза, в основном, ограничена возможностью размещения дизель-генераторной установки, имеющей большие массогабаритные показатели и большое потребление топлива.
Эти ограничения полностью снимаются, если в качестве теплового двигателя используется газотурбинный двигатель. И, кроме того, использование подобных локомотивов на высокоскоростных линиях снимает затраты на электрификацию линий и модернизацию железнодорожного полотна.
Однако газотурбинные двигатели в отличие от дизельного имеют неблагоприятные зависимости к.п.д. от мощности и скорости движения. В реальной эксплуатации локомотив работает в режимах частичных нагрузок, а газовые турбины могут эффективно работать лишь в узком диапазоне мощностей и скорости движения.
Кроме того, система накопления энергии в условиях высокоскоростного движения должна иметь высокую степень передачи энергии и легкий вес. Электрохимические накопители в виде аккумуляторных батарей не позволяют обеспечить требуемые времена ввода и вывода энергии, а емкостные накопители имеют относительно малые удельные значения удельной запасаемой энергии.
Эти проблемы во многом могут быть решены использованием сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии, в которых запасенная энергия магнитного поля, постоянно поддерживается незатухающим - замороженным - током в сверхпроводниковой катушке, то есть в катушке, обладающей нулевым электрическим сопротивлением и размещенной в охлаждающем криостате (см. статью «Using f 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.1990-1993, англ.). В данной схеме 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 всякий раз, когда локомотив находится в режиме рекуперативного торможения, то есть когда первичный двигатель вырабатывает большее количество энергии, чем необходимо, чтобы поддерживать необходимую скорость при движении состава под уклон, или когда поезд находится на станции.
Сверхпроводниковая магнитная катушка такого накопителя обладает способностью обеспечивать значительный запас энергии, сохраняя ее практически без потерь сколь угодно долго.
Когда поезд при движении начинает ускоряться, сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии разряжается в помощь тяговым двигателям, тем самым сокращая потребляемую от газовой турбины энергию. Излишек энергии, запасенной в накопителе, гасится в тормозных резисторах, выделяясь в низ в виде тепла. При этом первичный газотурбинный двигатель функционирует на полную мощность лишь в промежуток времени заряда сверхпроводникового накопителя на стоянке локомотива, что составляет около 50% 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 соответственно ведению поезда по переменному профилю пути. Это
означает, что газотурбовоз должен развивать большую силу тяги при трогании состава с места и малых скоростях движения и малую силу тяги при больших скоростях.
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. 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 числа оборотов) потребляет значительное количество топлива (20-25% расхода при полной нагрузке), что является весьма неэкономичным.
Кроме того, резко переменная нагрузка, вызванная переменным профилем пути, 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.
В рассматриваемом варианте исполнения электрической передачи газотурбовоза ликвидация указанных недостатков в работе газовой турбины весьма проблематична.
Задача состоит в повышении эксплуатационного к.п.д. газотурбовоза за счет повышения его стабилизации в широком диапазоне мощностей в режиме долевых тяговых нагрузок газотурбинного агрегата и снижения расхода топлива газотурбинного агрегата в тормозном режиме, являющимся режимом холостого хода газотурбинного агрегата, путем усовершенствования схемы электропередачи.
Технический результат достигается тем, что газотурбовоз содержит газотурбинный агрегат, механически соединенный с валом синхронного генератора, к зажимам переменного тока которого подключен полупроводниковый преобразователь переменного напряжения в постоянное, к выходам которого подключены шины постоянного тока; «n» тяговых асинхронных двигателей (где «n» - натуральный ряд чисел), подключенных каждый к индивидуальным тяговым инверторам напряжения, минусовой вход каждого из которых подключен к минусовой шине постоянного тока; блок тормозных резисторов, блок управления, сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии, включающий в
себя сверхпроводниковую индуктивную катушку, помещенную в криостат, шунтированную сверхпроводящим управляемым ключом и подключенную к шинам постоянного тока через другой полупроводниковый преобразователь постоянного напряжения в постоянное, выполненный управляемым и двунаправленным. Управляющие его входы предназначены для подключения к одной группе выходов блока управления, к другой группе выходов которого подключены управляющие входы тяговых инверторов.
Дополнительно в него введена другая плюсовая шина, первый полупроводниковый преобразователь переменного напряжения в постоянное выполнен также управляемым и двунаправленным. Сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии дополнительно содержит «m» независимых сверхпроводниковых катушек (где «m»≥1), каждая из которых шунтирована индивидуальным сверхпроводниковым управляемым ключом, помещена вместе с ним в один криостат с первой сверхпроводниковой катушкой и подключена через дополнительный индивидуальный двунаправленный и управляемый преобразователь постоянного напряжения в постоянное к дополнительной плюсовой и основной минусовой шинам; все указанные сверхпроводниковые индуктивные катушки выполнены тороидальными; плюсовой вход каждого тягового инвертора объединен с катодным и анодным электродами своей пары управляемых полупроводниковых ключей, из которых один своим анодом, а другой своим катодом подключены к плюсовым соответственно основной и дополнительной шинам. К последним, кроме того, подключены два входа блока вспомогательного электрооборудования, третий вход которого подключен к минусовой шине, между которой и дополнительной плюсовой шиной включен блок тормозных резисторов. К газотурбинному агрегату подключен датчик мощности, выход которого подключен к входу блока управления. Третья и четвертая группы выходов блока управления предназначены для подключения к управляющим цепям соответственно первого и третьих индивидуальных двунаправленных преобразователей напряжения. А пятая группа выходов блока управления подключена к управляющим цепям входных вентилей тяговых инверторов.
Новым по сравнению с прототипом является следующее:
- первый преобразователь переменного напряжения в постоянное выполнен управляемым и двунаправленным,
- в схему введена дополнительная шина,
- сверхпроводниковый индуктивный накопитель дополнительно содержит «m» независимых сверхпроводниковых индуктивных катушек (где «m»≥1), шунтированных, каждая, индивидуальным сверхпроводниковым управляемым ключом, помещенных
каждая вместе с ним в один криостат с первой катушкой и подключенных каждая через индивидуальный дополнительный двунаправленный управляемый преобразователь к дополнительной плюсовой и основной минусовой шинам; все указанные - первая и дополнительные - катушки выполнены тороидальными; все тяговые инверторы подключены к шинам постоянного тока таким образом, что плюсовой вход каждого из них объединен с катодным и анодным электродами своей пары управляемых ключей, из которых один своим анодом, а другой своим катодом предназначены для подключения к плюсовым соответственно основной и дополнительной шинам; к этим же шинам подключены два входа блока вспомогательного электрооборудования, третий вход которого подключен к минусовой шине. Между последней и дополнительной плюсовой шиной включен блок тормозных резисторов. К газотурбинному агрегату подключен датчик мощности, выход которого подключен к входу блока управления. Его третья, четвертая и пятая группы выходов подключены к управляющим цепям соответственно первого и третьих индивидуальных двунаправленных преобразователей напряжения, а также к управляющим цепям входных вентилей тяговых инверторов.
Это позволяет наиболее эффективно обеспечить два основных эксплуатационных режима работы режимы работы локомотива, а именно:
- режим долевых тяговых нагрузок газотурбинного агрегата, при котором первый сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии используется в качестве дополнительной нагрузки тягового генератора, а следовательно и газотурбинной установки, что соответствует заряду сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии;
- тормозной режим газотурбинного агрегата: тяговый генератор переводится в двигательный режим, получая питание от сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии через двунаправленный преобразователь переменного напряжения в постоянное, что соответствует разряду указанного накопителя, газотурбинный агрегат переводится в режим холостого хода с частотой вращения вала, равной 50% от номинальной, при этом расход топлива существенно снижается до минимальной величины, обеспечивающей готовность камеры сгорания к работе в режиме долевых тяговых нагрузок.
Второй сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии в режиме долевых тяговых нагрузок питает вспомогательное электрооборудование, а в тормозном режиме заряжается в процессе выбега тяговых электродвигателей перед остановкой локомотива, которые при этом работают в генераторном режиме.
Сказанное позволяет сделать вывод о соответствии рассматриваемого технического решения критерию новизна, а также о том, что между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь.
На фигуре показана принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства.
Работу его рассмотрим на конкретном примере при числе двигателей n=4 и числе дополнительных сверхпроводниковых индуктивных катушек m=1.
Газотурбовоз (см. фиг.) содержит газотурбинный агрегат 1 механически соединенный с валом синхронного генератора 2, к зажимам переменного тока которого подключен полупроводниковый преобразователь переменного напряжения в постоянное 3, к выходам которого подключены шины постоянного тока 4 и 5, четыре тяговых асинхронных двигателей 6, 7, 8,9, подключенных каждый к тяговым инверторам напряжения 10, 11, 12, 13, минусовые входы 14, 15, 16, 17 каждого из которых подключены к минусовой шине 5 постоянного тока. Кроме того, оно содержит блок 18 тормозных резисторов, блок 19 управления и сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии 20, включающий в себя сверхпроводниковую индуктивную катушку 21, помещенную в криостат. Эта катушка шунтирована сверхпроводниковым управляемым ключом 22 и подключена через другой полупроводниковый преобразователь постоянного напряжения в постоянное 23, который выполнен двунаправленным и управляемым, к шинам 4, 5 постоянного тока.
Управляющие входы преобразователя 23 подключены к одной группе выходов блока управления 19, к другой группе выходов которого подключены управляющие входы тяговых инверторов 10, 11, 12, 13.
Дополнительно устройство содержит другую плюсовую шину 24. Первый полупроводниковый преобразователь переменного напряжения в постоянное 3 выполнен также управляемым и двунаправленным. Сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии 20 содержит дополнительную независимую сверхпроводниковую катушку 25, которая шунтирована индивидуальным сверхпроводящим управляемым ключом 26 и помещена вместе с ним в один криостат с первой катушкой 21, и кроме того, подключена через индивидуальный двунаправленный управляемый преобразователь 27 постоянного напряжения в постоянное к дополнительной плюсовой 24 и основной минусовой 5 шинам. При этом обе сверхпроводниковые индуктивные катушки 21 и 25 выполнены тороидальными. Все тяговые инверторы 10-13 подключены к шинам постоянного тока
таким образом, что плюсовые входы 28, 29, 30, 31 каждого из них объединяет катодный и анодный электроды своей пары управляемых полупроводниковых ключей, 32, 33; 34, 35; 36, 37; 38, 39, из которых одни 32, 34, 36, 38 своим анодом, а другие 33, 35, 37, 39 своим катодом подключены к плюсовым соответственно основной 4 и дополнительной 24 шинам, к которым, кроме того, подключены два входа 40, 41 блока вспомогательного электрооборудования 42. Третий вход 43 блока вспомогательного электрооборудования 42 подключен к минусовой шине 5. Между нею и дополнительной шиной 24 включен блок 18 тормозных резисторов. К газотурбинному агрегату 1 подключен датчик мощности 44, выходом 45 подключенный к одноименному входу блока управления 19.
Третья и четвертая группы выходов блока управления 19 предназначены для подключения к управляющим цепям соответственно первого двунаправленного преобразователя 3 и третьего индивидуального двунаправленного преобразователя 27, а пятая группа выходов блока управления 19 подключена к управляющим цепям входных вентилей 32-39 тяговых инверторов 10-13. Преобразователи 23 и 27, подключенные к сверхпроводниковым индуктивным катушкам 21 и 25 соответственно, содержат каждый прямую 46, 48 и обратную 47, 49 управляемые цепи включения.
В качестве первого преобразователя 3 переменного напряжения в постоянное может быть использована схема 4-х квадрантного преобразователя, описанная в статье В.В.Литовченко «4 qS - четырехквадрантный преобразователь электровозов переменного тока» в ж. «Известия ВУЗов. Электромеханика, №3,2000, с.64-73.
Схема 3-хфазных инверторов напряжения 10-13 общеизвестна и приведена, например, в монографии Солодунов А.М., Иньков Ю.М., Коваливкер Г.Н., Литовченко В.В. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями. - Рига: Зинатне, 1991. - 351 с.
Схема двунаправленных преобразователей 23, 27, постоянного напряжения в постоянное общеизвестна и приведена, например, в монографии Солодунов А.М., Иньков Ю.М., Коваливкер Г.Н., Литовченко В.В. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями. - Рига: Зинатне, 1991. - 351 с.
Схема блока управления 19 может быть реализована, например, на базе микроконтроллера фирмы «ATMEL», приведенная в справочнике «Микроконтроллеры AVR семейства Tiny и Mega фирмы ATMEL, изд-во «Додека-XXI», 2004.
Датчик 44 мощности описан, например, в книге Хайкин А.Б., Жадобин Н.Е. Элементы судовой автоматики: Учебное пособие. - Л.: Судостроение, 1982. - 376 с.
В качестве сверхпроводящих управляемых ключей 22 и 26 могут быть использованы криотроны, описанные, например, в монографии Глебов И.А., Шахтарин В.Н., Антонов Ю.Ф. Проблема ввода тока в сверхпроводниковые устройства. - Л.: Наука, 1985. - 208 с.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства в двух основных эксплуатационных режимах работы локомотива.
1. Режим долевых тяговых нагрузок газотурбинного агрегата.
В этом режиме локомотив движется по участкам пути с переменным профилем. При этом датчик 44 мощности фиксирует текущие параметры (мощность) газотурбинного агрегата 1, посылая их в блок 19 управления. Синхронная машина 2 находится в генераторном режиме, преобразователь 3 находится в выпрямительном режиме, за счет этого на шинах 4, 5 создается выпрямленное напряжение.
При этом блок управления 19 включает прямую вентильную цепь 46 преобразователя 23, не включая криотрон 22 первой катушки 21 накопителя 20 энергии. В результате газотурбинный агрегат 1 заряжает первую катушку 21, то есть запасает энергию.
Величина энергии, запасаемой этой катушкой накопителя, так же, как и величина мощности первичного двигателя, будет определяться разрешающей способностью преобразователя 23. В этом режиме заряда сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии 20 газотурбинный агрегат 1 работает с оптимальной мощностью, при которой обеспечивается наименьший удельный расход топлива.
2. Тормозной режим газотурбинного агрегата.
При снижении потребления мощности от газотурбинного агрегата, например, при торможении локомотива или его остановке, газовая турбина работает крайне неэкономично, так как в этом режиме происходит резкое снижение числа оборотов турбины и компрессора, что приводит к повышенному расходу топлива (20-25% расхода при полной нагрузке), резко падает к.п.д. не только газотурбинного агрегата, но и всего локомотива.
В условиях эксплуатации газотурбовозов полная остановка газотурбинного агрегата осуществляется лишь при стоянках локомотива свыше 30 мин. Это происходит потому, что пуск газотурбинного агрегата требует определенного времени на ее разогрев и раскручивание, на поднятие давления смазки в подшипниках, в системе регулирования и т.п. Кроме того, частые остановки и пуски турбины и компрессора могут отрицательно сказаться на состоянии их вращающихся деталей.
В предлагаемой авторами полезной модели в режимах малых скоростей, близких к холостому ходу турбины, и на холостом ходу газотурбинного агрегата по сигналу блока управления 19 открывается обратная вентильная цепь 47 преобразователя 23 и обратные цепи преобразователя 3, размыкается криотрон 22 в сверхпроводниковом индуктивном накопителе энергии 20, в результате чего энергия, запасенная в сверхпроводниковой индуктивной катушке 21 передается через шины 4,5 и преобразователь 3 в синхронную машину 2. Последняя переводится в двигательный режим и поддерживает тем самым обороты газовой турбины и компрессора. При этом газовая турбина резко уменьшает потребление топлива. Этот режим реализуется по команде от блока 19 управления, из которого на управляющие ключи преобразователя 3 поступают управляющие импульсы, формирующие обратную проводимость преобразователя 3. В преобразователе 3 напряжение шин 4,5 инвертируется в 3-х фазное переменное напряжение.
При последующем начале движения локомотива газотурбинный агрегат включается в работу не с нулевых оборотов, что позволяет исключить указанные выше отрицательные эффекты при пуске.
А далее процессы в аналогичных режимах повторяются, за исключением того, что питание блока вспомогательного электрооборудования 42 в режиме долевых тяговых нагрузок газотурбинного агрегата осуществляется от второго сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии 25.
В тормозном режиме при движении локомотива под уклон или торможении в схеме осуществляется рекуперативное торможение. Тяговые двигатели 6-9 переводятся в генераторный режим, при этом вентили 32, 34, 36, 38 закрываются, включаются обратные цепи инверторов 10-13, обратные вентильные цепи 33, 35, 37, 39 и прямая вентильная цепь 48 преобразователя напряжения 27 в цепи дополнительной сверхпроводниковой катушки 25 сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии 20, при этом криотрон 26 разомкнут. В результате энергия от двигателей 6-9 через дополнительную плюсовую шину 24 и минусовую шину 5 поступает в катушку 25, заряжая ее. Расчетная энергоемкость этой катушки меньше, чем основной и определяется потребностями блока вспомогательного электрооборудования 42 в последующих режимах нагрузки. Кроме того, возможный избыток энергии рекуперации, как и в прототипе, поступает в блок 18 тормозных резисторов.
После завершения рекуперативного торможения криотрон 26 переводится в сверхпроводящее состояние, вентили 48 и 49 закрываются и сверхпроводниковая
индуктивная катушка 25 переходит в режим хранения энергии, также называемый режимом «замороженного» потока.
При необходимости запитывания блока вспомогательного электрооборудования 42, криотрон 26 переводится в разомкнутое состояние, вентиль 49 открывается и через преобразователь напряжения 27 сверхпроводниковая индуктивная катушка 25 отдает запасенную в ней ранее электроэнергию в блок вспомогательного электрооборудования 42.
Таким образом, предлагаемое устройство, сохраняя меры, направленные на повышение энергетической эффективности газотурбовоза за счет введения сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии, расширяет эти возможности тем, что:
во-первых, в режиме долевых тяговых нагрузок повышает стабилизацию к.п.д. газотурбинной установки в широком диапазоне мощностей;
во-вторых, в тормозном режиме газотурбинная установка переводится в режим холостого хода с частотой вращения вала, равной 50% от номинальной, при этом расход топлива существенно снижается до минимальной величины, обеспечивающей готовность камеры сгорания газовой турбины к работе в режиме долевых тяговых нагрузок;
в-третьих, в результате этого в перечисленных выше режимах повышается эксплуатационный к.п.д. газотурбинной установки.