Разработка и исследование системы электроснабжения железнодорожного вагона повышенной комфортности

на правах рукописи

СИЛАЕВ ФЕДОР АНАТОЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ВАГОНА ПОВЫШЕННОЙ КОМФОРТНОСТИ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2010

Работа выполнена на кафедре автоматизированного электропривода Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель	доктор технических наук, проф. Остриров Вадим Николаевич
Официальные оппоненты	доктор технических наук, Крылов Юрий Алексеевич кандидат технических наук, Фукалов Роман Викторович
Ведущая организация	ООО «АВП Технология», г. Москва

Защита состоится «22» апреля 2011 года в 14 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д.212.157.02 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 13

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета)

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ)

Автореферат разослан «___» марта 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.212.157.02 канд. техн. наук, доцент

Цырук С. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Во многих промышленно развитых странах железнодорожный транспорт занимает ведущее место. В России общая протяженность железных дорог находится на втором месте в мире и составляет около 87 тысяч километров. Более 80% пассажирских перевозок в стране осуществляется железной дорогой. По данным на первый квартал 2010 г. пассажиропоток РЖД составил 24,6 миллиарда пассажиро-километров.

Для обеспечения комфорта пассажиров в пассажирских железнодорожных вагонах устанавливают специальное электрооборудование: кондиционер, электрокалорифер, кипятильник и др. Питание данного электрооборудования осуществляется системой электроснабжения собственных нужд вагона.

Исторически сложилось, что наиболее распространенными системами электроснабжения в России являются автономная или смешанная системы электроснабжения. Это означает, что для питания вагонных потребителей электрическая энергия вырабатывается непосредственно в вагоне подвагонным генератором, приводимым во вращение колесной парой. Распространение автономной системы электроснабжения объясняется наличием в России огромной длины неэлектрифицированных железных дорог и отсутствием тепловозов, имеющих возможность выдавать необходимое высокое напряжение в вагонную магистраль.

Автономная система электроснабжения, применяемая в современности (в частности, на вагонах постройки ОАО «Тверской Вагоностроительный Завод») имеет ряд недостатков, обусловленных электрической схемой. В данной системе выпрямленное напряжение генератора напрямую поступает на нагрузку и аккумуляторные батареи (АКБ), а регулируется лишь током возбуждения генератора.

Основным недостатком данной системы является следующее: для начала питания потребителей и заряда АКБ требуется, чтобы вагон разогнался до скорости около 35 км/ч (напряжение генератора к этой скорости достигнет необходимой величины). Данный недостаток является наиболее критичным с точки зрения обеспечения комфорта пассажиров, так как он означает, что во время стоянок и при движении поезда на низких скоростях вагонные электропотребители вынуждены получать питание от АКБ, при этом мощные потребители должны быть отключены.

Из-за большой инерционности цепи возбуждения генератора и наличия в нем гистерезиса, возникают сложности при поддержании выходного напряжения на желаемом уровне и обеспечении оптимального тока заряда АКБ.

В настоящий момент в РЖД поставлена задача повышения уровня комфортности пассажирских перевозок. В то же время и частные перевозчики стараются привлечь пассажиров повышенным уровнем комфорта в своих вагонах.

Создавшиеся условия побудили ряд организаций к созданию «интеллектуального» вагона локомотивной тяги путем модернизации эксплуатирующихся вагонов и усовершенствования ныне строящихся вагонов. Оборудование данного пассажирского вагона, в том числе и система электроснабжения, должны обеспечить новые характеристики, позволяющие повысить уровень комфорта для пассажиров.

С учетом вышесказанного можно сделать вывод, что разработка системы электроснабжения железнодорожного вагона, обеспечивающая повышение комфортности для пассажиров, является актуальной.

Цель диссертационной работы

Создание системы электроснабжения железнодорожного вагона, обеспечивающей повышенный уровень комфорта для пассажиров.

Для достижения цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. разработка системы электроснабжения железнодорожного вагона и алгоритмов ее работы, обеспечивающих эффективный отбор мощности от генератора и заряд АКБ в расширенном диапазоне скоростей движения вагона;
2. синтез САУ статических преобразователей системы электроснабжения вагона для обеспечения устойчивой работы и получения необходимой точности регулирования;
3. разработка математической модели преобразователей системы с целью исследования их температурных режимов при различных скоростях движения поезда и широком диапазоне изменения температур окружающей среды (от -50 °С до +50 °С);
4. разработка методики проектирования силовых преобразователей для подобных систем электроснабжения.

Методы исследования

Математические модели создавались на основе теорий цепей, электропривода, силовой электроники, тепломассообмена. Для реализации и исследования математических моделей использовалась система компьютерной алгебры Mathcad и конечно-элементный программный комплекс Ansys Icepak, ориентированный на проектирование электротехнических устройств.

Синтез регуляторов, наблюдателей, цепей коррекции системы автоматического регулирования проведен методами теории автоматического управления.

Адекватность полученных моделей была проверена экспериментально, в том числе на опытном образце преобразователя для разработанной системы электроснабжения.

Новые научные результаты

1. На основании выполненного анализа и разработанных требований предложена структура системы электроснабжения железнодорожного вагона локомотивной тяги, содержащая импульсный преобразователь напряжения.
2. Разработан алгоритм трехзонного управления преобразованием энергии в функции скорости поезда, обеспечивающий стабилизацию напряжения на пониженной скорости движения.
3. Синтезирована структура замкнутой САУ, обеспечивающая устойчивость системы и требования точности регулирования (требуемая точность поддержания выходного напряжения +/- 1,5 В). Выполнена линеаризация САУ, определены параметры регуляторов тока и напряжения.
4. Разработана математическая модель для расчета потерь и тепловых режимов преобразователя, позволяющая определить допустимый диапазон нагрузок, температур окружающей среды и скоростей поезда, при которых возможно использование разработанной системы электроснабжения.

Практическая ценность работы

1. На основе проведенных исследований составлена методика проектирования преобразователей для подобных систем электроснабжения.
2. Создан блок БРН-32, являющийся статическим преобразователем разработанной системы электроснабжения для пассажирских вагонов повышенной комфортности. Блок вошел в состав комплекта электрооборудования КВИНТ-ЭВ, разработки предприятия «АВП Технология». На блоке выполнен комплекс исследований и испытаний, отлажено программное обеспечение, проверена адекватность моделей. Блок БРН-32 запущен в производство и установлен в эксплуатацию на 24 вагонах, курсирующих по ряду направлений на территории России.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры автоматизированного электропривода Московского энергетического института (технического университета), а также на следующих конференциях: Четырнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, март 2008 г.); Конференция «Силовая Электроника» (Москва, Международный информационно-выставочный центр «ИнфоПространство», июнь 2009 г.).

Публикации

По результатам проведенных исследований, а также по теме диссертационной работы опубликованы четыре печатные работы.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 51 пунктов. Содержание работы изложено на 190 страницах машинописного текста, включает 62 рисунка, 19 таблиц и 6 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, показана общая проблематика по теме работы.

В первой главе проведен обзор типов систем электроснабжения пассажирских железнодорожных вагонов локомотивной тяги (автономная, смешанная, централизованная, централизованная высоковольтная).

Проведен анализ известных типов автономных систем электроснабжения, исторически существовавших и используемых ныне. Дано подробное описание, показан принцип работы, проведен анализ системы электроснабжения, используемой в настоящее время на вагонах постройки ОАО «Тверской Вагоностроительный Завод» (см. рис. 1). В ходе проведенного анализа выделены основные недостатки системы:

1. Для того чтобы начался процесс заряда аккумулятора требуется разгон поезда до скорости не менее 35 км/ч. Если скорость не набрана, питание нагрузки продолжает осуществляться от аккумулятора.
2. Большая инерционность системы, так как управление выходным напряжением индукторного генератора (ИГ) происходит за счет регулирования тока в высокоинерционной цепи обмотки возбуждения (ОВ).

Рис. 1. Наиболее распространенная автономная система электроснабжения

С учетом указанных недостатков были определены требования к разрабатываемой системе электроснабжения:

• обеспечение стабильности напряжения питания при точности поддержания выходного напряжения +/- 1,5 В в более широком диапазоне изменения скоростей поезда для бесперебойной работы системы вентиляции и кондиционирования вагона;
• продление ресурса АКБ за счет наличия стабильного напряжения, устанавливаемого в функции температуры АКБ, и ограничения тока заряда АКБ;
• обмен информацией с системой верхнего уровня по протоколу CANopen;
• обеспечение устойчивой работы системы электроснабжения в отсутствии связи с системой верхнего уровня;
• использование в системе ныне существующей схемы выработки, хранения и распределения электроэнергии: ИГ с механической передачей к колесной паре, понижающий трансформатор 3x380/88, подключаемый на стоянке к электрической сети, буферная схема подключения АКБ к нагрузке.

На основании этих требований определены функции разрабатываемой системы и ее состав.

Сформулирована цель диссертационной работы и задачи, поставленные для достижения цели.

Во второй главе по требованиям к разрабатываемой системе электроснабжения были определены ее функции. По функциям системы разработана схема системы электроснабжения вагона. Схема представлена на рис. 2. Выделенные элементы решено было объединить в одном конструктиве и назвать блоком регулирования напряжения (БРН).

Механическая энергия от колесной пары передается по механической передаче, включающей в себя редуктор, карданный вал и муфту, и преобразуется в электрическую в ИГ. Далее, переменное напряжение генератора преобразуется выпрямителем в постоянное. Величина напряжения генератора может регулироваться при помощи преобразователя канала возбуждения. При помощи статического преобразователя силового канала в системе электроснабжения вырабатывается необходимый уровень напряжения для заряда АКБ, причем величина зарядного напряжения АКБ зависит от ее температуры. АКБ подключена как буфер с вагонными потребителями, поэтому на вагонные потребители попадает то же напряжение, что и на АКБ. Кроме того, такое подключение позволяет обойтись без дополнительного оборудования, чтобы запитать вагонные потребители на стоянке.

Рис. 2. Схема электроснабжения на базе БРН

Основным отличием от рассмотренных во введении схем систем электроснабжения является наличие в данной схеме статического преобразователя напряжения с интеллектуальной системой управления. Его схема представлена на рис. 3:

Рис. 3. Статический преобразователь силового канала БРН

Наличие статического преобразователя позволяет:

1. Отбирать от генератора мощность при более низких скоростях движения вагона. Таким образом, имеется возможность на низкой скорости движения обеспечить комфортную температуру в салоне, включив установку кондиционирования на частичную производительность.
2. Обеспечить пониженный уровень пульсаций выходного напряжения благодаря малой инерционности преобразователя.

Для схемы силового преобразователя БРН было выбрано параллельное включение двух преобразователей DC-DC, так как такое решение несет с собой ряд преимуществ:

1. Возможность разнести потери в силовых транзисторах на большую площадь радиатора, таким образом, уменьшается тепловое сопротивление радиатор-окружающая среда.
2. Возможность организовать резервирование.
3. Управление токами дросселей двух DC-DC со смещением 1800 приводит к снижению переменной составляющей суммарного тока дросселей, что позволяет разгрузить электролитические конденсаторы преобразователя.

Кроме схемы статического преобразователя, в главе детально представлены схема преобразователя для питания ОВ, пояснен алгоритм заряда АКБ, состав электропотребителей вагона.

В разработанной системе АКБ работает в буферном режиме: когда вагон движется, на АКБ и вагонные потребители подается одно и то же напряжение. Когда ЭДС силового преобразователя исчезает при снижении скорости, вагонные потребители оказываются напрямую подключены к АКБ.

Зарядное напряжение Uз задается в функции температуры (см. рис. 4): при более низких температурах используется более высокое зарядное напряжение. Во избежание закипания АКБ БРН ограничивает ток заряда на уровне 70 А, при необходимости снижая выходное напряжение.

Рис. 4. Зарядное напряжение АКБ в зависимости от температуры

Наличие силового статического преобразователя позволит серьезно продлить время жизни АКБ по сравнению с прототипом по следующим причинам:

• малая инерционность преобразователя и поэтому малый уровень пульсаций напряжения и зарядного тока;
• соблюдение рекомендованной изготовителями зависимости зарядного напряжения от температуры АКБ;
• наличие эффективного токоограничения.

В третьей главе разработан алгоритм трехзонного управления (зона I – ограничение момента и тока ИГ, зона II – ограничение мощности ИГ, зона III – ограничение мощности и тока ИГ) преобразованием энергии в функции скорости поезда, обеспечивающий стабилизацию выходного напряжения на пониженной скорости движения (см. рис. 5), при рациональном использовании момента и мощности ИГ.

Рис. 5. Работа системы на различных скоростях

Скорость V1 определяет целесообразность начала работы БРН (есть возможность получить около 1/3 номинальной мощности ИГ). Скорость V2 – номинальная скорость ИГ. V3 – скорость, на которой достигается задание по выпрямленному напряжению генератора Udnom. Начиная со скорости V2 генератор способен отдавать номинальную мощность. Ниже V2 необходимо поддерживать ток генератора постоянным, при этом допустимая мощность линейно падает. Ограничивая ток генератора на номинальном уровне, ограничивается и момент на уровнях, допустимых для механической передачи. При дальнейшем росте скорости ток генератора и его момент гиперболически падают.

С увеличением скорости линейно растет напряжение генератора. По достижении скорости V3 для прекращения дальнейшего роста напряжения Ud необходимо с ростом скорости снижать ток возбуждения генератора. При этом, с увеличением скорости момент генератора продолжает гиперболически падать, а ток генератора стабилизируется.

Синтезирована структура САУ БРН: с релейным регулятором выпрямленного напряжения ИГ и двухконтурной системой подчиненного регулирования выходного напряжения (см. рис. 6) импульсного преобразователя постоянного напряжения с астатическим регулятором выходного напряжения, обеспечивающая устойчивость и требуемую точность регулирования выходного напряжения.

Параметры регуляторов были определены с расчетом на технический оптимум (см. табл. 1), впоследствии для получения астатической характеристики выходного напряжения опытным путем была добавлена интегральная составляющая регулятора.

Табл. 1.

Режим	Понижение	Повышение
Регулятор контура тока
Регулятор контура напряжения
Компенсация возмущающего воздействия в контуре тока