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 |

Повышение эффективности рекуперативного торможения электровозов постоянного тока путем использования в тяговой сети инерционного накопителя энергии со встроенн

-- [ Страница 2 ] --

На примере предварительно выбранного реального однопутного участка железной дороги СКЖД между станциями Гойтх – Навагинская разработана методика рационального использования ИНЭ для приема и последующей отдачи энергии рекуперации ЭПС. Методика включает расчет необходимой энергоемкости ИНЭ, прочности маховика, мощности ВИМ в составе ИНЭ, рационального расположения ИНЭ на участке железной дороги и других параметров. Так, с учетом данных по новым сверхпрочным композиционным материалам, определено, что для расчетного участка инерционный накопитель энергии в пределах относительно небольших габаритов его активной части (маховик диаметром D=1,5м и высотой h=0,5м) может запасать значительное количество энергии, достаточной для эффективного его использования в составе тяговой железнодорожной сети. Был произведен расчет на прочность ИНЭ при максимальной частоте его вращения.

Выполнено математическое моделирование режима рекуперативного торможения электровоза с накоплением этой энергии в ИНЭ для выбранного участка железной дороги. В структуру математической модели вошло описание следующих основных устройств: тяговой подстанции; тяговой сети электроснабжения; ИНЭ и ЭПС. На рисунке 1 приведена расчетная схема замещения, особенностью которой является наличие ИНЭ со встроенной ВИМ в составе СТЭ. Здесь Rk1, Rk2, Rk3 – активные сопротивления участков контактной сети; Rр1, Rр2, Rр3 - активные сопротивления участков рельсового пути; переходное сопротивление рельс – земля; Lk1, Lk2, Lk3 – индуктивности участков контактной сети; Lp1, Lp2, Lp3 – индуктивности участков рельсового пути; R0, L0 - внутреннее сопротивление и индуктивность источника на тяговой подстанции; Lр - индуктивность реактора, Сф - емкость фильтра.

Рисунок 1 - Схема замещения ЭПС и СТЭ с ИНЭ

Расчетная схема замещения ИНЭ с ВИМ показана на рисунке 2.

В качестве ЭПС был выбран электровоз ВЛ10 с 8-ю тяговыми электродвигателями ТЛ-2К1 мощностью 575 кВт. Двигатель постоянного тока выбран из встроенной библиотеки Simulink. В «окно» задания параметров введены параметры тягового двигателя ТЛ-2К1.

На рисунке 2 цифрами обозначены: 1 - подсистема, содержащая описание ВИМ (конфигурацию зубцовой зоны, расположение намагничивающих сил, зависимость (в матричном виде) потокосцепления фазы обмотки в функции тока и угла поворота ротора); 2 – силовые ключи, коммутирующие фазы обмотки ВИМ в определенные моменты времени; 3 – подпрограмма на языке MATLAB, формирующая управляющие импульсы силовых ключей; 4 – блоки, устанавливающие величину токового коридора (ограничение на максимальную величину тока) при работе ВИМ; 5 – блоки, устанавливающие углы включения и отключения фазы обмотки ВИМ; 6 - блоки, вычисляющие электромагнитный момент и мощность ВИМ

Расчетная схема ЭПС и ИНЭ в составе СТЭ для участка между станциями Гойтх – Навагинская длиной 15,8 км изображена на рисунке 3.

 Расчетная схема замещения ИНЭ-13

Рисунок 2 - Расчетная схема замещения ИНЭ с ВИМ

 Расчетная схема ЭПС и ИНЭ в-14

Рисунок 3 - Расчетная схема ЭПС и ИНЭ в составе СТЭ

Режим работы ИНЭ определяется по уровню сигнала датчика напряжения. Сигнал от датчика поступает на нелинейный элемент, который реализует релейный режим работы ИНЭ (периодическое включение и отключение ИНЭ) и удерживает напряжение в контактной сети в разрешенном диапазоне. Диапазон изменения напряжения в месте подключения ИНЭ принят 100 В, который выбран из расчета, чтобы напряжение на шинах тяговой подстанции и пантографе ЭПС, поднимаемое в процессе рекуперации, не превышало предельно допустимое значение при всех возможных изменениях тока рекуперации.

По сигналам датчика напряжения формируются следующие три режима работы ИНЭ.

Режим 1. Накопление энергии. При осуществлении рекуперативного торможения ЭПС, процесс которого диагностируется системой управления ИНЭ по датчику напряжения, микропроцессорное логическое устройство даст команду на включение ИНЭ в режиме накопления энергии.

Режим 2. Возврат энергии потребителю. При работе ЭПС в режиме тяги ИНЭ отдает ему накопленную энергию.

Режим 3. Хранение энергии. ИНЭ находится в режиме хранения энергии, если потребителей на участке железной дороги нет.

На рисунке 4 показано напряжение контактной сети (в месте подключения ИНЭ) в функции времени при следующих исходных данных: ток рекуперации электровоза 900А, частота вращения маховика и ротора ВИМ 20000 мин-1, удаление ЭПС от железнодорожной станции Гойтх 4 км.

Рисунок 4 - Напряжение контактной сети в точке присоединения ИНЭ

Роль ИНЭ заключается в том, чтобы поглотить избыточную энергию рекуперирующего электровоза и вернуть энергию электровозу, следующему в режиме тяги. На данном примере реального участка дороги СКЖД запасенная энергия для последующего использования в тяге поездов составила 583кВт.ч, что составляет 38% от затраченной энергии при движении на подъем того же участка.

На других участках дорог с другими условиями движения поездов эффективность использования ИНЭ может меняться в зависимости от многих факторов: профиля и длины межподстанционных участков, интенсивности движения, количества поездов на участке и режимов их движения, различного рода ограничений на пути следования и др. Однако, изложенный в данной главе подход к определению сохраненной энергии рекуперации в ИНЭ и последующий расчет экономической эффективности применения ИНЭ на сети железных дорог можно использовать и для других участков, изменив исходные данные в алгоритме расчета.

Следует отметить важную особенность использования ВИМ в составе ИНЭ для работы в тяговой сети, где возможны как длительные изменения напряжения, так и кратковременные скачки, обусловленные коммутационными процессами ЭПС. Поскольку ВИМ имеет импульсный характер взаимодействия с внешним источником (или приемником) энергии, то в пределах одной коммутации силовых ключей преобразователя ВИМ возможно изменить режим работы ВИМ на период следующей коммутации. Это в свою очередь позволит реагировать на скачкообразные изменения напряжения в тяговой сети, уменьшая отклонения от номинальной величины. В режиме рекуперации это важное обстоятельство, так как оно сказывается на качестве процесса рекуперации, исключая резкое изменение тока рекуперирующего поезда.

Оценим время реакции ВИМ на возмущающее воздействие. При зубцовой формуле: 8 зубцов статора и 6 зубцов ротора, ВИМ имеет четыре фазы, каждая из которых сдвинута относительно соседней на угол 90 электрических градусов. В этом случае время реакции на изменение напряжения в тяговой сети составит половину от величины, составляющей период коммутации одной фазы ВИМ. При частоте вращения =30 000 мин-1 время периода коммутации одной фазы ВИМ составит:

.

По мере расхода энергии ИНЭ его частота вращения снижается, время периода коммутации растет и составит для разряженного наполовину ИНЭ 47 мс. Это время значительно (на два порядка) меньше времени переходного процесса, возникающего при изменении режима работы электровоза, что позволяет ИНЭ быстро реагировать на ситуацию, сглаживая резкие изменения напряжения в тяговой сети.

В четвертой главе проведены экспериментальные исследования макетного образца ИНЭ и даны рекомендации по внедрению ИНЭ в СТЭ.

Моделирование ИНЭ осуществлялось в лаборатории кафедры «Электрический подвижной состав» ФГБОУ ВПО РГУПС. Макетный образец ИНЭ и система его управления изображены на рисунке 5.

Рисунок 5 – Макетный образец ИНЭ

Испытательный стенд включает в себя следующие элементы: ВИМ; силовой полупроводниковый преобразователь на силовых IGBT транзисторах; микропроцессорную систему управления; маховик из конструкционной стали; корпус ИНЭ, два постоянных магнита для разгрузки подшипника маховика.

Целью испытаний макетного образца ИНЭ с ВИМ являлась проверка адекватности используемой математической модели СТЭ с ИНЭ на основе теории подобия. Как правило, физическая модель значительно меньше по размерам, чем оригинал. Ее элементы должны быть подобраны и изготовлены в соответствии с законами теории подобия.

Учитывая, что потокосцепление фазы обмотки статора является функцией двух переменных i и R, приведем уравнение (1) к виду:

(5)

Выражение является дифференциальной индуктивностью , а отношение равно угловой частоте вращения вала электродвигателя. Перепишем уравнение (5) с учетом этих обозначений

. (6)

Из уравнения (6) в соответствии со способом интегральных аналогов получим критерий подобия

(7)

Из выражения (7) следует, что для фазы обмотки статора отношение дифференциальной индуктивности к активному сопротивлению R модели и оригинала должно быть одинаковым, если процессы рассматриваются в одном и том же масштабе времени. Обеспечить такое соотношение для мощной (оригинал) и маломощной (модель) машины не всегда возможно из-за существенной разницы в активных сопротивлениях и индуктивностях L, поэтому испытания модели малого размера следует проводить на более высоких частотах вращения, чтобы обеспечить одинаковое значение в модели и оригинале. В этом случае условия подобия (7) должны быть дополнены критерием гомохронности, отражающим однородность прохождения процессов во времени:

Постоянная времени для оригинала и модели носит дифференциальный характер, так как в ее выражение входит дифференциальная индуктивность . Поскольку при изменении углового положения ротора относительно статора меняется значение индуктивности обмотки, то и постоянная времени электрической цепи при изменении положения ротора будет меняться.

Определено значение постоянной времени для оригинала и модели, которое она принимает при совпадении зубцов статора и ротора в ненасыщенной электрической машине: для оригинала: = 0,0493 с, для модели: = 0,00252 с. Масштаб времени при испытаниях модели равен 19,56.

Определена минимальная частота вращения модели при испытаниях, равная 8383 мин-1, с учетом того, что минимальная частота вращения ротора у оригинала равна 1000 мин-1, а число зубцов ротора оригинала и модели – соответственно 6 и 14.

Спроектированный и изготовленный макетный образец ВИМ рассчитан на максимальную частоту вращения 12000 мин-1, имеет запас по частоте вращения и, следовательно, может быть использован для испытаний. Система управления ВИМ в силовой части содержит IGBT-транзисторы, частотные свойства которых обеспечивают требуемую частоту коммутации. Следовательно, конструкция и параметры физической модели ВИМ и система ее управления не ограничивают требуемый диапазон частот вращения макетного образца ИНЭ при испытаниях.

Основная погрешность моделирования с учетом вводимых масштабов для переменных определяется отклонением зависимости потокосцепления фазы обмотки статора в функции тока и угла поворота ротора оригинала и модели. Это объясняется принятыми допусками на изготовление ВИМ и возможными небольшими изменениями свойств материалов активной части ВИМ.

На основе сопоставления данных установлено, что при пересчете режимов работы модели в режимы работы оригинала ВИМ наибольшие расхождения в режиме максимального насыщения не превышают 6,1 %, а в остальных режимах средние расхождения составляют 3 %.

Тяговые двигатели электровоза моделировались электрической машиной постоянного тока. Изменяемые параметры тяговой сети (сопротивления и индуктивности) рассчитывались в функции расстояния между тяговыми подстанциями. В качестве датчика напряжения использован бесконтактный датчик ДНХ с диапазоном измеряемых напряжений 50…600 В.

Система управления способна переводить ВИМ (в составе ИНЭ) из двигательного режима работы в генераторный и наоборот по сигналу датчика напряжения.

Были проведены экспериментальные исследования для случая, изображенного на рисунке 4. Результаты моделирования на физической модели в графическом виде представлены на рисунке 6, где А,В,С,А – последовательность коммутации фаз ВИМ.

Предложенный ИНЭ с ВИМ, обладает значительным запасом энергии, безопасен для человека и окружающей среды, может хранить энергию достаточно долго с минимальными потерями, прост в обслуживании и занимает немного места для своего размещения, следовательно он имеет хорошие перспективы для использования в составе тяговой сети железных дорог.

  Напряжение в контактной точке-36

Рисунок 6 – Напряжение в контактной точке присоединения силовых выводов ИНЭ физической модели

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ эксплуатационных показателей ЭПС, работающего в допустимых нормативными документами пределах изменения питающего напряжения, свидетельствует о необходимости принятия дополнительных мер по приему энергии рекуперации ЭПС с последующим ее использованием для повышения энергоэффективности перевозочного процесса и решения ряда других задач: стабилизации напряжения СТЭ; увеличения надежности работы тяговых, вспомогательных электрических машин и электрооборудования ЭПС.

2. Учитывая достоинства и недостатки накопителей энергии различных типов и их возможности работы в составе СТЭ, представляется наиболее рациональным вариантом использовать ИНЭ со встроенной ВИМ. ИНЭ предложенной конструкции способен обладать достаточным для решения поставленной задачи запасом энергии, безопасен для обслуживающего персонала и не наносит вреда окружающей среде, может хранить энергию достаточно долго с минимальными потерями, прост в обслуживании и занимает немного места для своего размещения, следовательно, он имеет хорошие перспективы для использования в составе СТЭ железных дорог с целью приема и последующего использования энергии рекуперации ЭПС.

3. Разработана математическая модель ВИМ, которая позволяет выделить составляющие электромеханического преобразования энергии: ЭДС вращения, трансформаторную ЭДС и ЭДС, полученную вследствие насыщения магнитной цепи. Это дает возможность провести подробный анализ физических явлений, происходящих в электрической машине и определить условия ее эффективной работы.

4. Для расчета режимов работы рекуперирующего поезда и количества энергии, которую можно накопить в процессе рекуперации ЭПС, математическая модель ВИМ интегрирована в математическую модель более высокого уровня, учитывающую взаимодействие ЭПС, СТЭ и ИНЭ.

Определено, что в режиме рекуперативного торможения электровоз, двигаясь по наклонному участку вниз, может выработать значительное количество энергии и, в случае применения ИНЭ в составе тяговой сети, эту энергию можно сохранить для последующего использования в режиме тяги. Так, для выбранного реального участка железной дороги СКЖД за один проезд поезда на спуске в режиме рекуперации можно сэкономить до 38% энергии, затраченной на том же участке на подъем в режиме тяги. Приведенный алгоритм расчета можно использовать и для других участков железной дороги, определяя экономическую эффективность и целесообразность применения ИНЭ в каждом конкретном случае.

7. Использование в составе ИНЭ ВИМ позволяет достичь высокого быстродействия ИНЭ и реагировать на быстро протекающие электромагнитные процессы в тяговой сети, что расширяет функциональные возможности ИНЭ.

8 Выполнены экспериментальные исследования макетного образца ИНЭ с определением критериев подобия. Исследования подтверждают результаты теоретических исследований и компьютерного моделирования. Максимальные расхождения результатов математического и физического моделирования работы ИНЭ в СТЭ не превышают 6 %.

Список публикаций по теме диссертации

Издания, рекомендованные ВАК:

  1. Петрушин, Д.А. Система тягового электроснабжения с инерционным накопителем энергии / Д.А. Петрушин // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. – 2009– №1. – С. 60-64.
  2. Петрушин, Д.А. Моделирование режимов работы системы тягового электроснабжения с инерционным накопителем энергии / Д.А. Петрушин // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. – 2010. – №1. – С. 114-118.
  3. Волков И.В., Петрушин, Д.А. Физическое моделирование инерционного накопителя энергии в составе тяговой сети электроснабжения / И.В. Волков // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. – 2012. – №1. – С. 53-60.

Другие издания:



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.