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

На правах рукописи

ПЕТРУШИН ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

повышение эффективности рекуперативного

торможения электровозов постоянного тока путем использования в тяговой сети инерционного

накопителя энергии со встроенной

вентильно-индукторной электрической машиной

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ростов-на-Дону

2013

Работа выполнена на кафедре «Электрический подвижной состав» федерального государственного бюджетного образовательного учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения»

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Волков Игорь Васильевич
Официальные оппоненты:	Мазнев Александр Сергеевич доктор технических наук, профессор кафедры «Электрическая тяга» ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения» Быкадоров Александр Леонович доктор технических наук, профессор кафедры «Автоматизированные системы электроснабжения» ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщения»
Ведущая организация:	ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»

Защита диссертации состоится 26 сентября 2013 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 218.010.01 при Ростовском государственном университете путей сообщения (РГУПС) по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, д. 2, в конференц-зале.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан «____» июня 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 218.010.01,

доктор технических наук, профессор Соломин В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Российские железные дороги занимают ведущее место среди других видов транспорта. Их доля в грузообороте транспортной системы России составляет 42,3%, пассажирооборота - 32,7%. Протяженность электрифицированных линий к концу 2011 года составила 43,1 тыс. километров. ОАО «РЖД» входит в число крупнейших потребителей электроэнергии России - потребление достигает 6 % от всей вырабатываемой электроэнергии в стране.

В соответствии с политикой государства, направленной на внедрение энергосберегающих технологий во всех сферах экономики, в ОАО РЖД утверждена «Энергетическая стратегия ОАО "РЖД" до 2015 года и на перспективу до 2030 года». Данным документом акцентируется внимание на характеристиках энергоэффективности при внедрении новых и модернизации существующих решений по всем техническим средствам и технологиям железнодорожного транспорта.

Значительным резервом повышения энергоэффективности работы железнодорожного транспорта является создание условий для сохранения и последующего использования энергии рекуперации подвижного состава.

В настоящее время на сети железных дорог производится замена и обновление электрического подвижного состава (ЭПС) на электровозы и электропоезда нового поколения с повышенной энергоэффективностью, улучшенными тяговыми свойствами, с рекуперацией энергии. Однако инфраструктура системы тягового электроснабжения (СТЭ) не в полной мере отвечает современным требованиям по эффективному использованию энергии рекуперации. В местах, где тяговые подстанции (ТП) не оборудованы инверторными преобразователями, по-прежнему используются мощные балластные резисторы, рассеивающие в тепло энергию, поступающую от рекуперирующего поезда. А с другой стороны, инвертирование и передача избыточной энергии в первичную систему электроснабжения является экономически невыгодной из-за неудовлетворительного качества поступающей энергии, содержащей высшие гармонические составляющие, вносимые преобразовательными устройствами.

Для повышения эффективности рекуперативного торможения в СТЭ целесообразно в местах, где часто применяется электрическое торможение ЭПС, устанавливать устройства, позволяющие накапливать энергию рекуперации ЭПС, а также, по мере необходимости, поставлять дополнительное количество энергии в СТЭ для тяги поездов. В результате этого снизятся удельные затраты на тягу поездов, и не только за счет полезного использования кинетической энергии поезда, но и за счет того, что контуры прохождения токов от рекуперирующего поезда по линиям тяговой сети будут короче, что повысит результирующий КПД сети электроснабжения. Также улучшится качество электроснабжения ЭПС, отклонения напряжения от номинального значения станут меньше, увеличится надежность и работоспособность тягового и вспомогательного оборудования ЭПС, которое чувствительно к отклонениям питающего напряжения.

Отличительной особенностью предлагаемого технического решения от существующих вариантов является то, что в качестве накопителей энергии предлагается использовать инерционные накопители энергии (ИНЭ) со встроенной вентильно-индукторной машиной (ВИМ). Это позволит при более низкой стоимости по сравнению с аналогичными устройствами получить накопитель энергии, обладающий следующими достоинствами: высокая надежность, высокий КПД в режимах накопления и отдачи энергии в тяговую сеть, высокое быстродействие при переходе из режима накопления в режим отдачи энергии и наоборот, экологическая безопасность.

Цель исследований: повышение эффективности рекуперативного торможения электровозов постоянного тока путем использования в тяговой сети ИНЭ со встроенной ВИМ.

Объект исследования: ЭПС, тяговая сеть, ИНЭ со встроенной ВИМ.

Предмет исследования: методы, модели и критерии оценки показателей работы ЭПС с использованием ИНЭ в составе тяговой сети.

Для достижения указанной цели решены следующие задачи:

• обоснована целесообразность использования ИНЭ со встроенной ВИМ в составе тяговой сети для приема и последующего использования энергии рекуперации;
• разработана математическая модель ВИМ в составе ИНЭ, позволяющая исследовать режимы приема энергии рекуперации и режимы отдачи энергии в СТЭ;
• разработана имитационная модель в системе MatLab (Simulink) тяговой сети, ИНЭ с ВИМ и электровоза постоянного тока для исследования качества процессов при рекуперации энергии;
• исследованы на имитационной модели процессы рекуперативного торможения электровоза, разработана методика определения составляющих потерь при рекуперативном торможении и сохраненной в накопителе энергии рекуперации электровоза;
• проведены экспериментальные исследования полученных теоретических положений на испытательном стенде макетного образца ИНЭ.

Методы исследования. При решении поставленных задач в области математического моделирования электромеханических систем использовался комбинированный метод теории поля и теории электрических цепей, а при расчетах показателей совместной работы СТЭ, ЭПС и ИНЭ использовался пакет имитационного моделирования Simulink матричной системы MatLab.

• Научная новизна. Предложено для качественного приема и последующего использования энергии рекуперации электровозов постоянного тока использовать в составе тяговой сети ИНЭ со встроенной ВИМ;
• разработана математическая модель ВИМ в составе ИНЭ, получены составляющие электромеханического преобразования энергии, позволяющие наглядно выделить и произвести анализ физической сущности происходящих процессов;
• разработан алгоритм расчета и проведены исследования режимов накопления энергии рекуперации в тяговой сети постоянного тока с использованием ИНЭ;
• определено, что среди известных электромеханических преобразователей энергии ВИМ обладает наилучшим сочетанием параметров для работы в составе ИНЭ для приема и последующего использования энергии рекуперации, в том числе высоким быстродействием при переходе из двигательного режима в генераторный, для обеспечения возможности быстро реагировать на изменение напряжения в тяговой сети;

даны рекомендации по установленной мощности, расположению и рациональному использованию ИНЭ в составе тяговой сети.

Практическая ценность. Предложенный ИНЭ со встроенной ВИМ позволит более эффективно использовать энергию рекуперации ЭПС и снизить удельные затраты на тягу поездов.

Реализация результатов работы. Теоретические и практические результаты диссертации используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО РГУПС при чтении дисциплин: Спецкурс №1 (Энергосберегающие технологии на железнодорожном транспорте) и «Тяговые электрические машины».

Научные положения, выносимые на защиту:

• анализ существующих технических решений для повышения эффективности рекуперативного торможения и обоснование предложений по использованию ИНЭ со встроенной ВИМ для качественного приема и последующего использования энергии рекуперации;
• математическая модель и результаты математического моделирования ВИМ в составе ИНЭ, позволяющие оценить преимущества предложенного технического решения;
• имитационная модель в системе MatLab (Simulink) и результаты имитационного моделирования тяговой сети, ИНЭ с ВИМ и электровоза постоянного тока, позволяющие дать рекомендации по расположению ИНЭ, установленной мощности ВИМ и другим параметрам, обеспечивающим эффективность рекуперативного торможения;
• результаты физического моделирования ИНЭ со встроенной ВИМ.

Достоверность и обоснованность основных полученных результатов диссертационной работы обеспечены:

• корректностью принятых допущений при математическом моделировании физических процессов;
• использованием современного программного обеспечения при проведении расчетов на ЭВМ;
• сопоставлением данных математического и физического моделирования ИНЭ со встроенной ВИМ.

Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: международной научно-практической конференции «Проблемы автоматизированного электропривода» в г. Одесса, 2006 год; 44-й Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии железнодорожному транспорту и промышленности» ДВГУПС, Хабаровск, 2006 год; Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2006» РГУПС, 2006 год; международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса: образование, наука, производство» РГУПС, Ростов – на – Дону, 2009.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ, из которых 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 126 наименований. Общий объем работы 129 страниц текста, включая 46 рисунков, 11 таблиц и одно приложение.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и поставлены задачи исследования.

В первой главе на основе анализа параметров и характеристик накопителей энергии и возможности работы их в составе СТЭ определено, что наиболее рациональным вариантом накопителя энергии для приема и последующего использования энергии рекуперации будет ИНЭ со встроенной ВИМ. Такое техническое решение сочетает в себе новые эффективные устройства электромеханики, новые достижения в области создания сверхпрочных материалов и магнитный подвес вращающейся части с вакуумированием корпуса ИНЭ для снижения потерь энергии.

Анализ показателей надежности и качества работы основных потребителей тяговой системы электроснабжения показал, что использование ИНЭ в составе тяговой сети, который взаимодействует с рекуперирующим поездом, позволяет решить ряд важных задач эксплуатации ЭПС:

• частичная компенсация длительного снижения напряжения на токоприемнике с помощью ИНЭ при ведении тяжеловесных составов электровозами с тяговыми двигателями постоянного тока даст возможность реализовать необходимую силу тяги;
• обеспечить плавность хода поезда при рекуперативном торможении;
• улучшить условия охлаждения тяговых электродвигателей;

снизить риск выхода из строя коллекторного узла и якорных обмоток электрических машин.

Во второй главе изложен результат разработки математической модели и приведен алгоритм расчета ВИМ.

Основу математической модели ВИМ составили уравнении Кирхгофа для контуров обмоток, в которых индуктивности, отражающие связь между токами обмоток и магнитным потоком, определены в ходе решения полевой задачи.

Активная часть ВИМ, в которой рассчитывалось магнитное поле, включает в себя магнитопровод из электротехнической стали, обмотки и воздушный зазор между статором и ротором. Для получения характеристик магнитного поля в активной части был использован метод конечных элементов, позволяющий получить с заданной точностью решение уравнения Пуассона.

При расчетах были сделаны следующие допущения:

• потоки рассеяния в лобовых частях обмоток не учитывались;
• электротехническая сталь изотропна и имеет однозначную кривую намагничивания;
• вихревые токи в магнитопроводе не учитывались;
• токи распределены равномерно по токоведущим областям.

По результатам расчета магнитного поля на ЭВМ получены значения для потокосцепления обмотки статора в зависимости от тока статорной обмотки и угла поворота ротора относительно статора.

Поскольку фазы обмотки статора симметричны, а магнитная связь между фазами наиболее распространенных конфигураций магнитных систем ВИМ незначительна, то в дальнейшем расчеты представлены для одной фазы обмотки статора.

Уравнение цепи обмотки фазы статора имеет вид:

, (1)

где u – напряжение на обмотке статора, формируемое преобразователем; R – активное сопротивление фазы обмотки; i – ток фазы; t – время; – потокосцепление фазы обмотки, зависящее от угла поворота ротора относительно статора и от тока i фазы.

Заменим в уравнении (1) потокосцепление на произведение тока i и индуктивности l. Индуктивность l имеет дифференциальный характер и определялась на каждом шаге интегрирования как функция двух переменных l(i,): тока i и угла поворота ротора относительно статора. Тогда уравнение (1) примет вид:

. (2)

Выполним дифференцирование произведения функций в выражении (2), а затем раскроем полный дифференциал индуктивности как функции двух переменных - тока и угла поворота ротора:

. (3)

Уравнение (3) перепишем в виде:

, (4)

где - угловая частота вращения ротора ВИМ.

Уравнение (4) дает возможность провести подробный анализ физических явлений, происходящих в электрической машине.

ВИМ является параметрической электрической машиной. Преобразование энергии в ней осуществляется за счет изменения параметра - индуктивности обмотки статора фазы двигателя в функции углового перемещения ротора относительно статора и изменения свойств магнитопровода вследствие насыщения.

В классе параметрических электрических машин существуют такие, которые преобразуют непосредственно тепловую энергию в электрическую без промежуточного преобразования в механическую – это магнитотепловые электромеханические преобразователи. Преобразование энергии в них осуществляется при изменении индуктивности только за счет изменения свойств магнитопровода при многократном прохождении точки Кюри под действием нагревания и охлаждения. Эта составляющая преобразования энергии, когда изменяются свойства магнитопровода, присутствует и в электрических машинах традиционных типов, в том числе и в ВИМ, работающей с периодическим насыщением магнитопровода в каждом цикле формирования тока статорной обмотки.

В теории электрических машин при анализе уравнения Кирхгофа принято условное деление полной ЭДС обмотки двигателя на трансформаторную ЭДС и ЭДС вращения.

В уравнении (4) присутствует еще одна составляющая ЭДС, равная , которая появляется при изменении магнитных свойств материала магнитопровода вследствие насыщения. Таким образом, в уравнении (4): первое слагаемое – падение напряжения на активном сопротивлении цепи обмотки, второе слагаемое – трансформаторная ЭДС, третье слагаемое – ЭДС, полученная вследствие насыщения магнитной цепи, четвертое слагаемое – ЭДС вращения. Такое разделение ЭДС по составляющим позволяет более наглядно проводить анализ эффективности электромеханического преобразования энергии в ВИМ.

Для более полного использования активных материалов электрической машины ВИМ работает в зоне больших значений индукции в зазоре под полюсом (порядка 1,9… 2,2 Тл). Чем больше насыщен магнитопровод машины, тем меньше доля реактивной энергии, участвующей в электромеханическом преобразовании энергии источника в механическую энергию вращающихся частей. Это известное положение следует из анализа переходных характеристик зубцового слоя.

Для определения параметров ВИМ с произвольным числом фаз k, где k может принимать значения 1,2,3 …n, уравнение (4) приведено к форме Коши и решено совместно с уравнением движения:

,

.

где МЭk - электромагнитный момент, ik – ток, Wk – энергия магнитного поля k-й фазы ВИМ; - момент сопротивления; - момент инерции системы «ротор – маховик»; - число зубцов ротора.

Согласно представленным уравнениям, выполнены расчеты по определению характеристик ВИМ в двигательном режиме (при накоплении энергии рекуперации) и в и генераторном режиме (при отдаче накопленной энергии в тяговую сеть).

Рассмотренные уравнения, описывающие электромеханические переходные процессы в ВИМ, входят составной частью в математическую модель, представленную в главе 3, для расчета характеристик тяговой электрической сети с учетом типа ЭПС, режимов его работы, профиля пути и других условий эксплуатации СТЭ железных дорог.

В третьей главе выполнен анализ методов расчета совместной работы ЭПС и СТЭ с накопителями энергии, который позволил выбрать путь расчета, основанный на программном обеспечении MatLab (Simulink). Ток рекуперации электровоза рассчитывался с помощью компьютерной программы Кортэс (разработки ВНИИЖТа) с учетом графика движения, профиля пути, ограничений скорости, массы и типа подвижного состава.