Актуальность темы.

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;

вентильная индукторная электрическая машина электровоз

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; ш - потокосцепление фазы обмотки, зависящее от угла поворота ротора относительно статора и и от тока i фазы.

Заменим в уравнении (1) потокосцепление ш на произведение тока i и индуктивности l. Индуктивность l имеет дифференциальный характер и определялась на каждом шаге интегрирования как функция двух переменных l (i,и): тока i и угла поворота и 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 М_{Эk -} электромагнитный момент, i_k - ток, W_k - 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.

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 R_k1, R_k2, R_k3 - активные сопротивления участков контактной сети; R_р1, R_р2, R_р3 - активные сопротивления участков рельсового пути; переходное сопротивление рельс - земля; L_k1, L_k2, L_k3 - индуктивности участков контактной сети; L_p1, L_p2, L_p3 - индуктивности участков рельсового пути; R₀, L_{0 -} внутреннее сопротивление и индуктивность источника на тяговой подстанции; L_{р -} индуктивность реактора, С_{ф -} 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.

Рисунок 2 - Расчетная схема замещения ИНЭ с ВИМ

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.

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

Заключение

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.

4. Волков И.В., Петрушин Д.А. Исследование инерционного накопителя энергии в системе тягового электроснабжения. Труды Международной научно-практической конференции "Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса: образование, наука, производство". РГУПС, Ростов - на - Дону, 2009. - С.32-33.

5. Волков И.В., Петрушин Д.А. Улучшение технико-экономических показателей работы вспомогательных электрических машин электроподвижного состава за счет повышения качества электроснабжения. Труды Международной научно-практической конференции "Транспорт-2009", часть 3. РГУПС, Ростов - на - Дону, 2009. - С. 203.

6. Волков И.В., Петрушин Д.А. Инерционный накопитель энергии с вентильно-индукторной электрической машиной. Труды Всероссийской научно-практической конференции "Транспорт-2008" часть 3, РГУПС, Ростов - на - Дону, 2008. - С.73.

7. Д.А. Петрушин. Инерционный накопитель энергии со встроенной вентильно-индукторной электрической машиной. Сборник трудов молодых ученых, докторантов и аспирантов "Инновации, перспективы развития локомотиво - и вагоностроения России", РГУПС, Ростов-на-Дону, 2008. - С.79-82.

8. Петрушин А.Д., Петрушин Д. А, Девликамов Р.М. Повышение надежности работы электромеханических систем стрелочных переводов. Четвертый международный симпозиум "Электрификация и организация скоростных и тяжеловесных коридоров на железнодорожном транспорте", Санкт-Петербург, 2007 г. - С.129-130.

9. Петрушин Д.А., Петрушин А.Д. Вентильно-индукторный электропривод инерционного накопителя энергии. Труды Международной научно-практической конференции "Проблемы автоматизированного электропривода". Изд. "Техника", г. Одесса, 2006. - С.241-242.

10. Петрушин Д.А., Переходько В.В. Инерционные накопители энергии для железнодорожного транспорта. Труды 44-й Всероссийской научно-практической конференции "Современные технологии железнодорожному транспорту и промышленности". Издательство ДВГУПС, Хабаровск, 2006. - С.54-56.

11. Петрушин Д.А., Переходько В.В. Повышение качества электроснабжения тяговых и вспомогательных электрических машин подвижного состава железных дорог. Труды Всероссийской научно-практической конференции "Транспорт-2006" часть 3, РГУПС, 2006. - С.185.

12. Петрушин Д.А., Олейник В.М. Работа инерционного накопителя энергии в составе тяговой сети железных дорог. Труды Всероссийской научно-практической конференции "Транспорт-2006", РГУПС, 2006. - С.42-43.

13. Петрушин Д.А. Улучшение энергетических показателей инерционных накопителей энергии в системе тягового электроснабжения. Труды РГУПС, №2 (20), 2012, С.59-62.

Размещено на Allbest.ru