Разработка технических решений по использованию сверхпроводниковых индуктивных накопителей в энергетической системе перспективного газотурбовоза

На правах рукописи

Середа Евгений Геннадьевич

Разработка технических решений по использованию сверхпроводниковых индуктивных накопителей в энергетической системе перспективного газотурбовоза

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт–Петербург 2010

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Петербургский государственный университет путей сообщения»

Научный руководитель:	доктор технических наук, доцент Никитин Виктор Валерьевич
Официальные оппоненты:
	доктор технических наук, профессор Мазнев Александр Сергеевич
	кандидат технических наук, доцент Лупкин Иван Дмитриевич
Ведущая организация:	Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения»

Защита диссертации состоится «23» декабря 2010 г. в 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д218.008.05 при ФГОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения» по адресу:

190031, г. Санкт–Петербург, Московский пр., 9, ауд. 5–407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения»

Автореферат разослан «22» ноября 2010г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

В. А. Кручек

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы: 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 актуальной задачей в сфере транспортной энергетики является сокращение расхода топлива автономными транспортными средствами, к которым предъявляется ряд жестких требований: высокая экономичность, экологичность, надежность, возможность работы на дешевых видах топлива, низкая стоимость обслуживания, высокие массогабаритные показатели. Поэтому при создании перспективных мощных скоростных автономных локомотивов (610 МВт) весьма актуальна проблема применения газотурбинных двигателей (ГТД), имеющих следующие основные преимущества перед дизелем: существенно лучшие массогабаритные показатели, высокая ремонтопригодность, дешевое топливо и меньший расход смазки, меньше вредных выбросов в атмосферу.

Применение ГТД так же позволит согласовать тяговые характеристики автономного и электрического подвижного состава по мощности и скорости.

Вместе с тем ГТД присущи значительные недостатки: существенная зависимость экономичности от мощности и частоты вращения, большой расход топлива в режиме холостого хода. Одним из путей решения проблемы по устранению отмеченных выше недостатков ГТД является использование накопителей энергии.

Поэтому при проектировании и создании газотурбовозов проблема увеличения эксплуатационного КПД в режиме долевых тяговых нагрузок за счет применения накопителя энергии является актуальной.

Цель работы: разработка принципов построения и способов управления электроэнергетической системой на основе накопителей энергии для повышения экономичности первичного двигателя перспективного газотурбовоза.

Объект исследования: электроэнергетическая установка перспективного автономного транспортного средства со сверхпроводниковым индуктивным накопителем энергии (СПИН) и газотурбинным первичным двигателем.

Предмет исследования: режимы работы, способы управления, массогабаритные и энергетические параметры электротехнического комплекса со СПИН, обеспечивающего повышение экономичности газотурбинного двигателя автономного транспортного средства с электрической передачей.

Задачи исследования:

– Обоснование типа и энергоемкости накопителя применительно к специфическим условиям работы в составе газотурбинной энергетической установки;

– Разработка зарядно-разрядного преобразователя для СПИН, обеспечивающего согласование характеристик источников, накопителей и потребителей электрической энергии автономного транспортного средства;

– Разработка способов регулирования дополнительной мощности, отбираемой накопителем энергии от газотурбинной установки при различных условиях движения транспортного средства;

– Разработка решений по повышению эффективности использования накопленной энергии.

Методы исследования. Решение поставленных задач выполнено с использованием методов термодинамики, теории электромагнитного поля, теории электрических цепей, аналитико-численных методов с использованием пакета MATLAB и компьютерного моделирования в пакете SIMULINK.

Достоверность научных результатов.

Достоверность научных положений и работоспособность предложенных технических решений подтверждена результатами экспериментальных исследований макетного образца электроэнергетической установки. Погрешность результатов расчетов токов и напряжений на основных элементах преобразователя по отношению к экспериментальным измерениям не превышает 5%.

Научная новизна:

– Предложена методика оценки электромагнитных и массогабаритных параметров обмотки тороидального СПИН;

– Разработаны способы регулирования мощности, отбираемой СПИН от тягового турбоагрегата. Определены требования к преобразователю, обеспечивающему заряд и разряд СПИН в электроэнергетической системе перспективного транспортного средства.

– Созданы компьютерные модели, позволяющие исследовать работу разработанных зарядных и разрядных преобразователей, согласующих СПИН с источниками и потребителями традиционного исполнения.

Практическая ценность работы:

– Предложено для повышения эксплуатационного КПД перспективного газотурбовоза использовать СПИН в качестве дополнительной нагрузки первичного двигателя в режимах долевых тяговых нагрузок с последующим использованием накопленной электрической энергии для питания бортовых потребителей собственных нужд в режиме холостого хода ГТД;

– Определены предельные электромагнитные и массогабаритные параметры обмотки тороидального СПИН по условиям размещения в заданных габаритах транспортного средства;

– Разработаны схемотехнические решения и алгоритмы управления преобразовательными устройствами, обеспечивающими импульсный режим накопления и отдачи электрической энергии;

– Разработано техническое решение, позволяющее повысить эффективность использования энергии, накопленной в СПИН.

Реализация работы.

Разработанные в диссертации принципы работы схемы поэтапного заряда и разряда сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии через промежуточный емкостной накопитель и варианты способов регулирования времени и потребляемой мощности при заряде сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии от источников питания традиционного исполнения использованы при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по сверхпроводящим магнитным системам электрофизических установок в научно-исследовательском вычислительном отделе научно-технического центра «Синтез» Федерального государственного унитарного предприятия «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры имени Д.В. Ефремова».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и осуждались на: международном симпозиуме «Eltrans’ 2007» «Электрификация и организация скоростных и тяжеловесных коридоров на железнодорожном транспорте» (г. Санкт-Петербург, 23–26 октября 2007 г); международном симпозиуме «Eltrans’ 2009» «Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте» (г. Санкт-Петербург, 20-23 октября 2009 г); международной конференции «Современные технологии – транспорту» (г. Санкт-Петербург, 28 апреля 2009 г); Всероссийской научно-технической конференции «Транспорт 2010» (г. Ростов-на-Дону, 14-16 апреля 2010 г); научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Шаг в будущее» (Санкт-Петербург, ПГУПС в 2007, 2008 и 2009 годах); заседаниях кафедры «Электромеханические комплексы и системы» (Санкт-Петербург, ПГУПС в 2007, 2008, 2009 и 2010 годах).

Публикации. По теме диссертационной работы имеется 7 публикаций, из них один патент на полезную модель, и одна публикация в издании, рекомендуемом ВАК Минобразования Росси.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объём диссертации составляет 156 страниц, включая 70 рисунков, 6 таблиц и 3 приложения. Библиографический список содержит 115 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованна актуальность темы и выбранного направления исследования. Дана краткая Характеристика диссертационной работы, её цели, задачи, методы исследования, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор современных ГТД, представлен анализ влияния различных параметров на их характеристики и определена энергоемкость накопителя.

Прогресс в области конструирования газотурбинных двигателей позволяет создавать ГТД для локомотивов с достаточно высокими значениями КПД и ресурса работы. Применение современных технологий при создании ГТД способствует улучшению их экономических характеристик в режиме долевых тяговых нагрузок и на холостом ходу, но не исключает недостатки присущие ГТД в этих режимах полностью. Использование накопителей энергии должно быть направлено на устранение недостатков, присущих ГТД грузового локомотива, т.е. накопитель энергии должен обеспечить стабилизацию КПД ГТД в широком диапазоне мощностей.

Обработка универсальных гистограмм, определяющих распределение мощности грузовых локомотивов по времени в зависимости от коэффициента использования мощности в режиме долевых тяговых нагрузок КN показывает, что в широком диапазоне КN = const относительная величина мощности всегда меньше номинальной , причем с увеличением КN в значительном интервале времени диапазон изменения мощности уменьшается, что приводит к увеличению относительного коэффициента полезного действия ГТД на заданном интервале времени.

Увеличение коэффициента КN можно достигнуть путем использования накопителя энергии в качестве дополнительной нагрузки тягового генератора, а следовательно и ГТД. Структурная схема тяговой энергетической передачи газотурбовоза с накопителем энергии приведена на рис.1.

Заряд. В режиме долевых тяговых нагрузок накопитель энергии подключается к генератору догружая ГТД, увеличивается коэффициент использования мощности КN, что приводит к увеличению эксплуатационного КПД газотурбовоза. По основному каналу энергия подводится (через тяговый преобразователь) к тяговым электродвигателям, по маломощному каналу – через преобразователь к вспомогательному электрооборудованию (ВЭО) и накопителю энергии.

Разряд. В режиме холостого хода ГТД работает с параметрами, обеспечивающими минимальный расход топлива, от тягового генератора отключаются преобразователь и тяговые электродвигатели, а ВЭО получает питание через преобразователь от накопителя энергии.

Повышение эксплуатационного КПД при применении накопителя энергии может быть определено по формуле:

,

где , – коэффициенты, учитывающие работу двигателя на долевых нагрузках и холостом ходу, без и с использованием накопителя энергии в качестве дополнительной нагрузки соответственно.

Коэффициенты , определяются по следующей формуле:

,

где: при ; – относительная величина расхода топлива в режиме холостого хода.

Анализ показывает, что величина существенно зависит от доли ВЭО в номинальной мощности газотурбовоза (N0) m, и относительного времени холостого хода и может составлять от 2-х до 10%. На рис.2 приведены результаты расчетов для доли мощности ВЭО m = 0,04 из которых видно, что для среднего и m = 0,04 в зависимости от величина находится в пределах (47)%.

Энергоемкость накопителя должна определяться по режиму холостого хода:

,

где: Ц – время цикла заряд-разряд накопителя энергии, определяется из нагрузочных диаграмм.

Нагрузочные диаграммы локомотивов носят неравномерный перемежающийся характер: величина средней мощности в периоды нагрузок, времена долевых тяговых нагрузок и холостого хода являются различными. В качестве первого приближения для ГТД газотурбовоза нагрузочная диаграмма принята равномерной перемежающейся с одинаковыми чередующимися циклами; при этом сохранены неизменными соотношения между средними временами нагрузок и холостого хода за период полного пробега и цикла.

На рис.3 приведена зависимость энергоемкости накопителя от времени цикла заряд-разряд для газотурбовозов мощностью МВт и МВт при и различных значениях m.

Для дальнейшего расчета энергоемкость накопителя принята равной МДж.

Во второй главе рассмотрены различные типы накопителей энергии из условия возможности согласования их характеристик с параметрами газаторбинной установки в составе энергетической передачи автономного локомотива. При выборе накопителя энергии устанавливаемого на подвижном составе большое значение имеют величины удельных энергоемкостей на единицу массы и объема и скорость вывода энергии. Для сравнения основных типов накопителей энергии их удельные показатели представлены на рис.4.

Прогресс в области создания высокотемпературных сверхпроводников второго поколения и анализ характеристик накопителей энергии показывает, что в составе электроэнергетической установки перспективного газотурбовоза целесообразно использовать СПИН, обладающие следующими преимуществами: наилучшими массогабаритными показателями, возможностью хранения запасенной энергии сколь угодно долгое время, высоким быстродействием при практически неограниченном количестве циклов (заряд-разряд).

Рис.4. Удельные параметры накопителей энергии

Разработана методика определения электромагнитных и массогабаритных параметров обмотки тороидального СПИН (рис.5). Исходными данными для расчета является: энергоемкость СПИН (W), максимальный зарядный ток (IСПИН max), расчетное значение максимальной индукции в обмотке (B), тип сверхпроводника и коэффициент заполнения обмоточного провода сверхпроводником. Результатом расчета являются: диаметр тора (D), число витков обмотки (w), усредненная и критическая плотность тока в обмотке определяется по характеристике конкретного типа сверхпроводника j=f(B), размеры поперечного сечения витка (ширина витка а, толщина витка ), масса проводникового материала (Mа).

; ; ; ; , где d*=d/D – относительный диаметр намотки катушки, – плотность сверхпроводникового материала.

На основании предложенной методики получены зависимости массогабаритных параметров от магнитной индукции (рис.6) из которых видно, что значение максимальной индукции в магнитной системе целесообразно зафиксировать в диапазоне 8 – 10 Тл.

При расчете СПИН следует учесть требования к габаритам подвижного состава. Наружный диаметр торойда не должен превышать поперечного габарита подвижного состава. По результатам расчета была получена зависимость энергоемкости СПИН от отношения внутреннего диаметра обмотки к диаметру тора (d/D), представленная на рис.7 при магнитной индукции в обмотке В=10 Тл и наружном диаметре dн=3 м.