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:     | 1 || 3 |

Сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии в энергоустановках железнодорожного транспорта

-- [ Страница 2 ] --

Данные расчёта энергоёмкости СПИН по предлагаемой методике и мощности дизель-генератора для работы в неизменном режиме для базового тепловоза ТЭМ2 хорошо согласуются с оценками отечественных и зарубежных специалистов для маневрового тепловоза и дизель-поезда близкой мощности.

Достаточную энергоёмкость СПИН, устанавливаемого на ТП, предлагается определять по выражению (2), отражающему неопределенность во времени порядка чередования максимумов и минимумов энергопотребления в системе тягового электроснабжения:

, (2)

где – максимальное количество энергии, которое необходимо отдать СПИН за цикл монотонного разряда;

– максимальное количество энергии, которое необходимо накопить (принять) СПИН за цикл монотонного заряда;

– «мёртвый» объём или минимальное количество энергии, сохраняющееся в СПИН при самом глубоком разряде, который может быть во время эксплуатации (обычно 10-15 % от расчётной энергоёмкости СПИН);

- расчётная энергоёмкость СПИН.

При выводе выражения (2) были использованы следующие посылки. Энергию, без учета потерь, циркулирующую за рассматриваемый интервал времени в накопителе энергии и электроподвижном составе, можно представить выражением:

, (3)

где – рассматриваемый интервал времени;

– постоянная мощность, потребляемая от трансформатора;

– мощность, потребляемая электроподвижным составом;

– мощность рекуперации (при ее наличии);

– мощность, накапливаемая в СПИН при заряде;

– мощность, отдаваемая СПИН при разряде.

Полагая, что , то при отсутствии рекуперации постоянная мощность, потребляемая от трансформатора:

. (4)

Введём обозначение , где .

На графике активного тока ТП, который можно рассматривать как график изменения активной мощности (принимая неизменным напряжение на шинах), площади всех участков, лежащих выше уровня , соответствуют энергии, отдаваемой накопителем:

, (5)

а площади участков, лежащих ниже уровня , соответствуют энергии, потребляемой накопителем

, (6)

где – интервалы времени заряда или разряда в пределах .

Для определения энергоемкости СПИН необходимо построить график изменения его энергии относительно некоторого начального значения энергии , аккумулированной (запасенной) в СПИН до начала работы, в соответствии с полученным и обработанным графиком нагрузки тяговой подстанции (рис. 2). Следует задаться требуемым графиком потребления активной мощности ТП от энергосистемы , при этом возможны следующие варианты: 1) его ступенчатый график 3 строится с условием не превышения выбранной величины (в данном случае 100 ГДЖ, график 4), 2) на всем интервале =const (график 5 и соответствующий ему график - 6), 3) ступени графика равны среднему значению мощности ТП за конкретный отрезок времени (например, сутки) (график 7 и соответствующий ему график 8 для ).

Выражение (2) позволяет рассчитывать с удовлетворительной точностью достаточную энергоёмкость СПИН для полученного семейства графиков по любому из них. Расчёты показали, что при условии выполнения всех заявленных функций СПИН для ТП постоянного тока в зависимости от профиля пути достаточная энергоёмкость СПИН лежит в пределах 4000-20000 МДж (1,11-5,55 МВт*ч), а переменного тока – 20000-80000 МДж (5,55-22,22 МВт*ч) на подстанцию при соответствующем прогнозировании электропотребления.

 График потребления активной-75Рис. 2. График потребления активной мощности ТП «Восточная» СКЖД

и варианты графиков изменения запаса энергии в СПИН

В третьей главе рассмотрены схемные решения для использования СПИН в системах автономного и тягового электроснабжения на основе преобразователей постоянного напряжения, включающие функции устройства инвертирующего типа.

Один из вариантов предложенного и запатентованного автором преобразователя представлен на рис. 3, где обозначено: 1-1,…,1-n – рабочие управляемых вентили, например, запираемые тиристоры, 2-1,…,2-n – секции обмотки СПИН, 3-1,…,3-n основные вентили, например, полупроводниковые диоды, 4-1,…,4-n – обратные управляемые вентили, 5 – источник постоянного напряжения, 6 – нагрузка, 7-1,…,7- n – шунтирующие вентили, 8-1,…,8- n – входные управляемые вентили, 9-1,…,9-n – дополнительные обратные управляемые вентили, 10 – разрядный управляемый вентиль, 11 – сопротивление. Данная схема учитывает возможность секционирования обмотки СПИН (направления токов в секциях показано стрелками).

Алгоритм функционирования этого преобразователя (рис. 3), например, для режима дополнительного накопления избыточной энергии нагрузки 6 в одной (i-той) секции обмотки СПИН 2-i, выглядит следующим образом. Одновременно включаются дополнительный обратный управляемый вентиль 9-i и рабочий управляемый вентиль 1-i, при этом выключается входной управляемый вентиль 8-i. Ток от нагрузки 6, работающей в генераторном режиме, протекает через дополнительный обратный вентиль 9-i, через индуктивный накопительный элемент 2-i и соответствующий включенный рабочий управляемый вентиль 1-i. Все включенные обратные вентили 4-i при этом выключаются. После окончания процесса накопления энергии напряжение между выходными выводами снижается до нуля и обратный управляемый вентиль 4-i включается, переводя индуктивный накопительный элемент 2-i в режим сохранения энергии, а рабочий управляемый вентиль 1-i выключается.

 Схема электрическая-76 Рис. 3. Схема электрическая принципиальная силовой части преобразователя постоянного напряжения для связи СПИН с системой электроснабжения постоянного тока (разработана автором)

Сочетания включённых и выключенных управляемых ключей (табл. 1) преобразователя обеспечивают возможные режимы его функционирования.

Таблица 1

Состояния ключей преобразователя

№ режима Наименование режима Состояние управляемых ключей (обозначения – по рис. 3)
1 4 8 9 10
1 Заряд СПИН от сети 1 0 1 0 0
2 Разряд СПИН на нагрузку 0 0 0 0 0
3 Хранение тока в СПИН, с частичной отдачей энергии в нагрузку 0 1 0 0 0
4 Заряд СПИН только от рекуперирующей нагрузки (сеть отключена) 1 0 0 1 0
5 Одновременный заряд СПИН от рекуперирующей нагрузки и от сети 1 0 1 1 0
6 Аварийный вывод энергии на балластное сопротивление 0 0 0 0 1

Сформулированные требования к СПИН для железнодорожного транспорта послужили основой для разработки технических решений в части конструкции СП-магнита и системы его криогенного обеспечения.

В качестве прототипа бортового СПИН была выбрана тороидальная магнитная система с D-образной формой витка и вытянутой конфигурацией обмотки в виде цилиндра длиной, равной максимальному размеру выделенного в габарите тепловоза объема, и диаметром, равным минимальному размеру этого объема (рис. 4).

поперечное сечение план

Рис. 4. Конструкция СПИН энергоемкостью 100 МДж

(разработана с участием автора)

Отличительными особенностями и достоинствами предложенной конструкции являются: однородная плотность запасаемой энергии в объеме СП-магнита; практическое отсутствие магнитных полей рассеяния (на расстоянии 0,3 м от внешней оболочки криостата величина индукции магнитного поля не превышает 0,01 Тл); высокая технологичность изготовления обмотки (в виде сборки галет из фольгированных стеклотекстолитовых листов, с приклеенными к ним витками); равномерное перераспределение механических напряжений по сечению магнита (что практически устраняет возможность скачкообразного движения витков под действием пондеромоторных сил, снижает вероятность тренинга, повышает устойчивость и надежность работы магнита); простота и экономичность косвенного способа охлаждения (в отличие от погружного и циркуляционного); обеспечение защиты в аварийных ситуациях без использования разрядного сопротивления (путем форсированного перевода обмотки в нормальное состояние с помощью системы нагревателей). Рассчитаны основные технические характеристики перспективных СПИН для размещения на борту тепловозов (табл. 2).

Таблица 2

Основные технические характеристики перспективных СПИН

бортового исполнения (для тепловозов и газотурбовозов)

Параметр Ед. изм. Тип тепловоза
Маневровый Магистральный, в габаритах
одной секции 8-осного вагона
Энергоемкость МДж 50 100 200 410 1000
Масса полная (СПИН в сборе) т 16,6 28,8 48,9 108,0 103,9
Габариты криостата: -длина -внешний диаметр м 3,5 1,6 9,2 1,6 9,0 1,6 15,4 1,6 8,3 2,9
Максимальная индукция магнитного поля Тл 7,0 4,9 7,0 7,0 7,3
Материал сверхпроводника - Nb-Ti Nb-Ti Nb-Ti Nb-Ti Nb3Sn
Ток кА 3,0 1,0 3,0 3,0 7,0
Суммарная мощность криогенных потерь Вт 18,5 35,5 50 75 288,7

Данные технические решения получили свое развитие в конструкции СПИН для стационарного использования, СП-магнит которых представляет собой тороидальную распределенную обмотку, состоящую из нескольких идентичных клиновидных секций (рис. 5).

 Магнитная система стационарного-79 Рис. 5. Магнитная система стационарного СПИН (для ТП) тороидальной конструкции с равномерным распределением энергии в объёме: А – общий вид; Б и В – форма и поперечное сечение одного сектора (разработанный и изготовленный с участием автора экспериментальный образец СПИН имеет форму такого сектора)

Результаты расчетов основных технических характеристик перспективных СПИН стационарного исполнения представлены в таблице 3. Эта конструкция обеспечивает постоянство модуля индукции магнитного поля внутри тороидальной обмотки с точностью порядка 1 %, а рассеянное поле на расстоянии 0,5 м от обмотки не отличается от естественного магнитного поля Земли. Достоинствами данных конструкций СПИН являются также их высокая заводская готовность и возможность вписывания (при транспортировке) в железнодорожные габариты.

Таблица 3

Основные технические характеристики перспективных СПИН

для стационарного использования

Параметр Ед. измер. Значение
Система электроснабжения - тяговая нетяговая
Тип обмотки Тороид с распределенной обмоткой
Энергоемкость кВт*ч (МДж) 1000 (3600) 27,7 (100)
Максимальная мощность МВт 300 8,3
Число секторов тороида штук 48 12
Внешний диаметр обмотки (при номинальном поле 5 Тл) м 6 2,1
Высота обмотки м 6 1,2
Диаметр криостата м 7,5 2,6
Высота криостата м 10 2,6
«Холодная» масса обмотки т 250 4,3

В четвертой главе рассматривается экспериментальное исследование физической модели ЭСУ тепловоза со СПИН, принципиальная схема которой показана на рис. 6, а также результаты испытаний экспериментального образца СПИН энергоемкость 1,5 МДж для стационарного применения.

Для создания модели ЭСУ тепловоза со СПИН было использовано следующее основное, вспомогательное и измерительное оборудование:

1) мотор-генератор (моделирующий дизель-генераторную установку) – генератор постоянного тока (Г1) типа НД-5000/10000 с приводным асинхронным двигателем (АД1) типа АК-104-10;

2) СП-магнитная система в криостате, моделирующая СПИН максимальной энергоемкостью 1000 кДж;

3) электродвигатель (ТД) типа НД-750/1500 (условно называемый «тяговым») – моделирует работу тягового двигателя;

4) нагружающее устройство, состоящее из электродвигателя (ДТ) типа НД-500/250 (работающего в режиме торможения противовключением), который питается от вспомогательного генератора постоянного тока (Г2) типа АНД-750/1500 с приводным асинхронным двигателем (АД2) типа А201-4;

5) реверсора, состоящего из группы контакторов (К1 и К2), обеспечивающих протекание тока в СПИН в одном направлении при любом режиме его работы (размыкание одной группы контакторов производится только после замыкания другой группы);

6) система криообеспечения (на рис. 6 не показана);

7) автоматизированная система контроля, измерения и управления (АСКИУ) работой стенда, выполненная на основе интерфейсов в стандарте «КАМАК» и двух ПВМ (на рис. 6 не показана);

8) система электропитания (на рис. 6 не показана) АД (трехфазная) и независимых обмоток возбуждения (ОВ) всех машин постоянного тока;

9) аварийной балластное сопротивление (RБ ), измерительные шунты (ШИ и ШС), а также сильноточные ключи (В1, В2 и К3).

Рис. 6. Принципиальная схема физической модели

энергосиловой установки тепловоза со СПИН

Результаты экспериментов на физической модели тепловоза со СПИН (некоторые данные – на рис. 7 и 8) хорошо коррелируют с данными расчетов.

Рис. 7. Изменение мощности СПИН (Pспин) и его тока (Iсп) при реализации типового режима работы «маневры толчком» на физической модели ЭСУ тепловоза со СПИН
Рис. 8. Изменение мощности СПИН (Pсп1) и оборотов ТЭД (n) при реализации типового режима работы «вытяжка из парка в парк» на физической модели ЭСУ тепловоза со СПИН


Pages:     | 1 || 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.