авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии в энергоустановках железнодорожного транспорта

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

НОСКОВ Владимир Николаевич

СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ИНДУКТИВНЫЕ НАКОПИТЕЛИ ЭНЕРГИИ В ЭНЕРГОУСТАНОВКАХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

05.22.07 – «Подвижной состав железных дорог,

тяга поездов и электрификация»

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Ростов-на-Дону – 2010

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (РГУПС)

Научный руководитель: академик РАН, доктор технических наук,

профессор, заслуженный деятель науки РФ

КОЛЕСНИКОВ Владимир Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ПЕТРУШИН Александр Дмитриевич;

кандидат технических наук, доцент

Шевлюгин Максим Валерьевич

Ведущая организация: государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ПГУПС)

Защита состоится «29» декабря 2010 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.010.01 Ростовского государственного университета путей сообщения (РГУПС) по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУПС.

Автореферат разослан « » ноября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 218.010.01,

доктор технических наук, профессор В.А. Соломин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Широкомасштабное использование энерго- и ресурсосберегающих технологий и устройств является составной частью энергетической стратегии России до 2020 г. и государственной политики, направленной на устойчивое развитие хозяйственного комплекса нашей страны. В «Энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до 2010 года и перспективу до 2020 года» (утверждена распоряжением ОАО «РЖД» от 11.02.2008 г. № 269р) отмечено, что «Электрифицированные железные дороги испытывают потребность в мощных накопителях электроэнергии для устойчивой реализации режимов рекуперации энергии подвижным составом, сглаживания суточной неравномерности потребления энергии, что, в конечном итоге, связано с экономией энергии на тягу поездов от 10-12 % (грузовое движение) до 15-30 % (пригородное движение)». Одной из приоритетных задач железнодорожного транспорта в вопросах энергосбережения согласно «Стратегическим направлениям научно-технического развития ОАО «РЖД» на период до 2015 г.» (утверждены Президентом ОАО «РЖД» 31.08.2007 № 964) является «широкое использование энергоемких накопителей энергии в основных технологических процессах энергопотребления и генерации энергии», а также «использование достижений в области сверхпроводимости».

В полной мере эти задачи могут быть реализованы путем разработки и создания сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии (СПИН), в которых сосредоточены новейшие достижения физики, химии, материаловедения, электротехники и преобразовательной техники. По сравнению с большинством других типов накопителей энергии, принципиально пригодных для эксплуатации в настоящее время, СПИН обладает целым рядом преимуществ. Использование СПИН в транспортных системах электроснабжения (как стационарных, так и автономных) уже в обозримом будущем позволит повысить надёжность и эффективность их работы, улучшить качество электроэнергии, приблизить режимы работы энергосистем к установившимся (за счёт демпфирования пиков и провалов энергопотребления), снизить потери электроэнергии.

Работы по СПИН ведутся практически во всех развитых странах мира, где особое внимание уделяется их использованию для бесперебойного электроснабжения ответственных объектов. В мировой практике существуют проекты использования СПИН как в составе электрических передач мощности автономных локомотивов, так и на подстанциях систем тягового электроснабжения железных дорог.

Для реализации этих масштабных проектов требуется решить ряд задач, в числе которых находится создание методологии синтеза систем электроснабжения со СПИН транспортного назначения и обоснование эффективных сфер их применения.

Возросшее количество проектов по использованию СПИН в системах энергоснабжения подтверждает актуальность данного исследования.

Цель работы состоит в научном обосновании путей повышения эффективности работы энергоустановок железнодорожного транспорта за счёт расширения области применения СПИН транспортного назначения, определении технологических процессов для использования СПИН, разработке метода расчета требуемой энергоёмкости накопителя, совершенствовании конструкции сверхпроводниковых (СП) магнитов, разработке алгоритмов функционирования и схемных решений.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

- выполнен аналитический обзор научно-технических достижений в области создания и использования накопителей энергии на транспорте;

- определены направления наиболее актуальных теоретических и экспериментальных исследований СПИН транспортного назначения;

- составлены математические модели электроэнергетических установок, содержащих в своём составе СПИН;

- разработаны методики определения необходимой энергоёмкости СПИН;

- разработаны схемы электрического сопряжения СПИН с существующими на железнодорожном транспорте электроэнергетическими установками;

- разработаны технические решения в части конструкции СПИН транспортного назначения;

- оценена достоверность теоретических положений при помощи математического и физического моделирования;

- созданы методики синтеза электроэнергетических установок, содержащих в своём составе СПИН, отвечающих нуждам железнодорожного транспорта;

- определена технико-экономическая эффективность использования СПИН в технологических процессах железнодорожного транспорта;

- изготовлен и внедрен экспериментальный образец СПИН.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием математических методов (интегральное и дифференциальное исчисление, математическая статистика), теории электротехники, теории автоматического управления, методов анализа и синтеза с использованием структурных схем, метода передаточных функций, методов экономического анализа, экспертных методов. Экспериментальные исследования проводились на физических моделях, а также в виде компьютерного моделирования и вариантных расчетов (при поддержке их математической средой Mathcad).

Научная новизна работы заключается в:

- методиках определения необходимой энергоёмкости СПИН, основанной на анализе режимов работы тепловоза или тяговой подстанции;

- создании новых схем электрического сопряжения СПИН с существующими на железнодорожном транспорте электроэнергетическими установками;

- разработке технических решений по конструкции СПИН транспортного назначения;

- создании математических моделей электроэнергетических установок, содержащих в своём составе СПИН;

- результатах натурных экспериментальных исследований физических моделей электроэнергетических установок со СПИН транспортного назначения.

Практическая ценность работы. Применение разработанных схем по сопряжению СПИН с электроэнергетическими системами в сочетании с решениями по их конструкции позволит добиться сокращения расходов железнодорожного транспорта на электроэнергию, повысить надёжность и качество электроснабжения. Например, расчетный годовой экономический эффект (в ценах 2007 года) от применения СПИН на тяговых подстанциях переменного тока составляет 4,643 млн. руб.

Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы в ОАО «РЖД» при разработке технических предложений и требований к СПИН бортового и стационарного исполнения, при изготовлении и в ходе испытаний макетного и экспериментального образцов СПИН транспортного назначения для систем автономного (СПИН-тепловоз) и стационарного (подстанция) тягового электроснабжения, при разработке и внедрении аванпроекта СПИН в системах электроснабжения потребителей ОАО «РЖД», а также в учебном процессе РГУПС.

Достоверность полученных результатов работы подтверждается корректностью использования математического аппарата; удовлетворительным совпадением расчётных и экспериментальных характеристик, полученных при математическом и физическом моделировании, для проверки полученных теоретических положений.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на: Технико-экономическом совете Главного управления локомотивного хозяйства МПС России 27.05.1993г.; заседаниях топливно-теплотехнической секции Научно-технического совета МПС России от 22.04.1994г. и от 31.05.2000г. (протокол № 6); 59-й вузовской научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава «Транспорт-2000» (апрель 2000 г., РГУПС, г. Ростов-на-Дону); Четвёртом международном симпозиуме «Электрификация и организация скоростных и тяжеловесных коридоров на железнодорожном транспорте» (25 октября 2007 г., ПГУПС, г. Санкт-Петербург); Первой международной конференции «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (2-3 апреля 2008 г., Экспериментальное кольцо ОАО «РЖД», г. Щербинка); Пятой Международной научно-практической конференции «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте» (13-15 октября 2010 г., г. Ростов-на-Дону); совместном заседании кафедр «Автоматизированные системы электроснабжения», «Локомотивы и локомотивное хозяйство» и «Электрический подвижной состав» РГУПС.

Публикации. По результатам выполненных исследований и материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 3 патента.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, перечислены основные результаты, выносимые на защиту, определена их научная новизна и практическая значимость.

В первой главе выполнен анализ научно-технических достижений в области использования СПИН на железнодорожном транспорте и рассмотрены возможные решения проблемы применения СПИН на тяговом подвижном составе и в системах тягового электроснабжения. Отмечается, что проблемой использования накопителей энергии (НЭ), в том числе СПИН, на железнодорожном транспорте, занимаются учёные МГУПС, ВНИИЖТ, РГУПС, ПГУПС, Радомского политехнического института (Польша). Ведущими организациями по разработке СПИН различного назначения в России являются РНЦ «Курчатовский институт» и ФГУП ГНЦ РФ «ТРИНИТИ» (г. Троицк). Однако наблюдается недостаток работ, рассматривающих вопросы синтеза систем электроснабжения со СПИН транспортного назначения.

По результатам анализа определены области применения накопителей энергии в энергоустановках железнодорожного транспорта. Принципиальное назначение НЭ в этих энергоустановках, как стационарных (установленных на подстанциях), так и автономных (расположенных на борту локомотивов с электрической передачей мощности), – быть демпфирующими элементами между генерирующими агрегатами и потребителями, работающими в нестационарных режимах.

СПИН предлагается использовать на борту автономных локомотивов (тепловозов, газотурбовозов) для снижения установленной мощности энергоустановки и обеспечения рекуперации, повышения экологических параметров автономной тяги; на тяговых подстанциях (ТП) – с целью выравнивания графика потребления электроэнергии из энергосистемы и обеспечения рекуперации электроподвижным составом; в системах связи, автоматики, телемеханики и обработки информации – как дополнительный источник бесперебойного питания и кондиционирования электрической энергии для ответственных потребителей.

Сформулированы технические требования к СПИН транспортного назначения. В частности, предложено использовать разновидность тороидальной обмотки сверхпроводникового (СП) магнита без магнитного поля рассеяния с однородной плотностью накапливаемой энергии, отвечающую требованиям места расположения и технологичности изготовления.

Вторая глава посвящена методике определения требуемой энергоёмкости СПИН транспортного назначения. Методика определения необходимой энергоёмкости СПИН для маневровых тепловозов получена на основе данных исследований типовых режимов их работы (манёвры толчками, грузовой двор, пассажирская станция, горка, вытяжка), которые представляют последовательность перехода с позиции на позицию дизеля маневрового тепловоза за 1 час работы.

Приняв, что назначением бортового СПИН является обеспечение работы дизель-генераторной установки (или установки с другим первичным тепловым двигателем) в неизменном режиме (т.е. с постоянной среднеэксплуатационной мощностью, вырабатываемой генератором), то в случае необходимости часть мощности на тягу, сверх вырабатываемой генератором, берётся из СПИН. Заряд СПИН может осуществляться предварительно (до поездки), во время движения (если на тягу необходима мощность, меньшая вырабатываемой генератором), а также при торможениях – от тяговых электродвигателей (ТЭД), работающих в генераторном режиме.

На основе принятых допущений разработана математическая модель энергосиловой установки (ЭСУ) маневрового тепловоза со СПИН, описанная системой уравнений (1), и при рассмотрении в первом приближении режимов работы данной ЭСУ как квазистатических, реализована автором в виде алгоритма и программы расчёта SPINOTEP.

По результатам проведения вариантных расчётов, в которых задавались различные значения мощности генератора (при максимальных токах и напряжениях), тока начального заряда СПИН, темпа нарастания тока СПИН, а также максимальных токов обмоток якоря и возбуждения ТЭД, были определены сочетания перечисленных величин, обеспечивающие полную реализацию типовых режимов маневровой работы с условием их цикличной повторяемости (подтверждение – токи СПИН в начале и конце режима различаются менее, чем на 10 %).

где - ток якоря ТЭД, А; - ток якоря генератора, А; - ток возбуждения ТЭД, А; - частота вращения ротора ТЭД, об/мин; - напряжение генератора, В; - ЭДС ТЭД, В; - актив. сопротивление обмотки якоря ТЭД, Ом; - постоянные ТЭД, причём ; - ток СПИН, А; - индуктивность СПИН, Гн; - электрическая мощность генератора, Вт; - магнитный поток ТЭД, Вб; - суммарная эл. мощность ТЭД тепловоза, Вт; М - электромагнитный момент одного ТЭД, Н*м; - энергия, запасённая в СПИН, Дж; - индуктивность обмотки якоря ТЭД.

Алгоритм расчёта необходимой энергоёмкости СПИН для тепловоза был сформулирован следующим образом. Для заданного режима работы длительностью , для которого известна зависимость , при выбранном значении мощности генератора , планируемого к установке на СПИН-тепловозе для работы с постоянной мощностью, требуется определить начальный заряд (энергоёмкость) бортового СПИН на момент времени , достаточный для реализации заданного режима работы. При этом учитывается, что некоторые типовые режимы работы для маневрового тепловоза требуют последовательной реализации нескольких аналогичных, но не тождественных циклов чередования тяги и торможения.

Для определения , а также знания достаточной величины энергоёмкости СПИН в любой момент времени при реализации требуемого режима следует, задавшись значением энергоёмкости СПИН на конец выбранного режима работы СПИН-тепловоза , например , проводить интегрирование площадей, ограниченных графиками и от конца временного интервала к его началу . Причём площади криволинейных трапеций, лежащих выше , вычитать из , а площади криволинейных трапеций, лежащих ниже , складывать с . В ходе такого интегрирования и суммирования можно определить в каждый момент времени величину энергоёмкости СПИН, а также расчётное значение начальной энергоёмкости СПИН . При этом, если минимальная рассчитанная энергоёмкость СПИН в ходе реализации выбранного режима будет , то требуется коррекция на – величину расхождения и . Примеры расчётов графиков изменения энергоёмкости бортового СПИН маневрового тепловоза по данной методике показаны на рис. 1.

а б в Расчётные графики изменения-40а  б в Расчётные графики изменения-41 б в Расчётные графики изменения-42в Рис. 1. Расчётные графики изменения энергоёмкости бортового СПИН маневрового тепловоза (для =100 МДж и = 400 кВт) при реализации типовых режимов работы: а) «грузовой двор», б) «манёвры толчком», в) «вытяжка из парка в парк»


Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.