Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ вариантов электростанций автономных объектов с системами электродвижения 9
1.1 Электродвижение на автомобильном транспорте 10
1.2 Электродвижение на железнодорожном транспорте 19
1.3 Электродвижение на водном транспорте 20
1.4 Электростанция автономного объекта на базе дизель-генераторной установки переменной частоты вращения 29
Выводы 35
Глава 2. Математическая и имитационная модели электростанции автономного объекта на базе дгу переменной частоты вращения 36
2.1 Математическая и имитационная модели дизеля 36
2.2 Математическая и имитационная модели синхронной машины 39
2.3 Математическая и имитационная модели преобразователя частоты 54
2.4 Математические и имитационные модели нагрузки ЕЭС 57
2.5 Математическая и имитационная модели единой электростанции 61 автономного объекта на базе дизель-генераторной установки переменной частоты вращения Выводы 67
Глава 3. Анализ динамических режимов работы ЕЭС 68
3.1 Анализ динамических режимов канала электродвижения ЕЭС 68
3.2 Анализ динамических режимов канала электроснабжения ЕЭС 80
3.3 Экспериментальное исследование динамических режимов работы ЭС на базе ДГУ переменной частоты вращения .
Выводы 93
Глава 4. Расчет топливной экономичности электростанции автономного объекта на базе ДГУ переменной частоты вращения 94
4.1 Расчет топливной экономичности ЕЭС на базе ДГУ переменной частоты вращения 94
4.2 Коэффициент полезного действия синхронной машины 95
4.3 Коэффициент полезного действия трансформатора 100
4.4 Коэффициент полезного действия преобразователя частоты 103
4.5 Оценка топливной экономичности ЕЭС мощностью 100 и 1000 кВт 107
Выводы 120
Заключение 121
Литература
- Электродвижение на железнодорожном транспорте
- Математическая и имитационная модели преобразователя частоты
- Экспериментальное исследование динамических режимов работы ЭС на базе ДГУ переменной частоты вращения
- Коэффициент полезного действия трансформатора
Электродвижение на железнодорожном транспорте
Энергосбережение, рационализация производства, распределения и использования всех видов энергии, стало в последние 15...20 лет наряду с информатизацией и компьютеризацией одним из основных направлений технической политики во всех развитых странах мира [55, 65]. Это связано, во-первых, с ограниченностью и невозобновляемостью всех основных энергоресурсов, во-вторых, с непрерывно возрастающими сложностью их добычи и соответственно стоимостью, в-третьих, с глобальными экологическими проблемами, обозначившимися в последнее время [42, 43].
Острый интерес ко всем аспектам энерго- и ресурсосбережения возник в мире на волне нефтяного кризиса 1970-х годов. Обнаружилось, что за последние несколько десятков лет потреблено 2/3 энергии, израсходованной за всю историю цивилизации. Разведанных основных энергоресурсов хватит меньше чем на 100 лет и экономия углеводородного топлива уже сейчас в несколько раз дешевле, чем добыча.
В развитых странах резко — существенно — возросли инвестиции в сферу энергосбережения, стали создаваться специальные программы и организации. Очевидно, что энергетические ресурсы планеты ограничены. Энерго- и ресурсосбережение становится одной из первоочередных и важнейших экологических проблем во всех развитых странах мира.
Анализ структуры потерь в сфере производства, распределения и потребления электроэнергии показывает, что определяющая доля потерь — до 90 % — приходится на сферу энергопотребления, тогда как потери при передаче электроэнергии составляют лишь 9... 10% (в США - 8%, в ФРГ и Японии — 4...5%). Очевидно, что основные усилия по энергосбережению должны быть сконцентрированы именно в сфере потребления электроэнергии. Экономия энергии за счет повышения эффективности ее использования рассматривается в мировой практике как основное направление развития современной энергетики. Рост эффективности ведет к росту всех показателей экономики страны, снижает техногенную нагрузку на экологию регионов, связанных с производством энергии.
Эксплуатация автомобильного транспорта в крупных городах сопряжена с множеством проблем [25]. На долю автомобильного транспорта приходится значительная часть общего количества загрязняющих атмосферу города выбросов [26]. Серьезными проблемами также являются производимый транспортом шум и заторы на улицах города. Двигатель внутреннего сгорания, приводящий автомобили в движение уже второе столетие, плохо пригоден для городского цикла. С увеличением загрузки городских улиц средняя скорость движения становится все меньше, а расход топлива и количество токсичных выбросов, наоборот, растут.
Электромобиль – транспортное средство [27], ведущие колеса которого приводятся от электромотора питаемого электробатареей, появился впервые в 1838 году в Англии. Электромобиль существенно старше автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Поначалу он опережал автомобиль по скорости и объему выпуска, но не смог стать серьезным конкурентом автомобилю. На наш взгляд, это происходит, в основном, из-за недостатков электромобилей, питаемых от электроаккумуляторов.
Вопреки бытующему мнению о высокой экономичности аккумуляторных электромобилей, анализ показывает, что химическая энергия топлива, сжигаемого на электростанциях, используется для движения транспортного средства всего на 15% и менее. Это происходит из-за потерь энергии в линиях электропередачи, трансформаторах, преобразователях, зарядных устройствах для аккумуляторов и самих аккумуляторах, электромашинах, как в тяговом, так и в генераторном режимах, а также в тормозах при невозможности рекуперации энергии. Для сравнения, дизельный двигатель на оптимальном режиме преобразует в механическую энергию около 40% химической энергии топлива. Суммарная установочная мощность двигателей всех автомобилей намного превышает мощность всех электростанций мира. При большом распространении аккумуляторных электромобилей, с учетом сказанного, им просто не будет хватать электроэнергии, вырабатываемой электростанциями мира.
Проблемы снимаются при питании электромобилей от так называемых первичных источников электроэнергии, вырабатывающих энергию непосредственно из топлива.
Создать оптимальный с точки зрения расхода топлива и токсичности отработавших газов режим работы ДВС, а также уменьшить потери энергии при торможении автомобилей могут гибридные силовые установки, разработки которых ведутся во всем мире на протяжении уже многих десятилетий. Гибриды – так в конце ХХ века стали называть автомобили, в которых используются двигатель внутреннего сгорания и электромотор.
Традиционно тяговый электропривод автомобилей (ТЭА) с комбинированной энергетической установкой (КЭУ) классифицируется на два основных (базовых) типа структурных схем – последовательный и параллельный.
Общим принципом классификации ТЭА на последовательную и параллельную схему является способ передачи силового потока от ДВС до колеса автомобиля [7]. Функциональные схемы основных типов ТЭА с КЭУ представлены на рис. 1.1 – 1.3. Основной принцип выполнения последовательной схемы ТЭА (рис. 1.1) – отсутствие механической связи теплового двигателя с ведущими колесами автомобиля.
Математическая и имитационная модели преобразователя частоты
КТЭО автобуса ЛиАЗ-5292 включает: – тяговый асинхронный генератор (мотор — генератор) переменного тока (АМ—Г); – тяговый асинхронный двигатель (ТАД); – силовые преобразователи с микропроцессорной системой управления (СП) для АМ—Г и ТАД (силовые преобразователи, тормозной чоппер с микропроцессорными системами управления и системой питания собственных нужд размещены в едином блоке силовой электроники (БСЭ)); – буферный накопитель на основе электрохимических конденсаторов (ЭК) — суперконденсаторов; – контроллер верхнего уровня для управления потоками мощности и тягой с органами управления и отображения информации в кабине водителя; – тормозной резистор с чоппером; – систему питания собственных нужд оборудования КТЭО; – контроллер верхнего уровня (КВУ), который обеспечивает связь с органами управления и индикации в кабине водителя, а также связь с другими системами автобуса (контроллер дизеля, ABS, ACS, тормозной и гидравлической системами, усилителем руля и т.д.) и управляет потоками мощности для обеспечения оптимальных по топливной эффективности и уровню выбросов показателей работы автобуса в городских циклах движения.
Высокие экономические и экологические показатели работы энергоустановки автобуса с комплектом тягового электрооборудования (КТЭО) обусловлены качественно другим режимом работы ДВС.
Дизельный двигатель работает в стационарном режиме, оптимальном по экономии топлива и выбросам вредных веществ. Применение дизеля меньшей мощности в гибридном автобусе по сравнению с серийным, возможность рекуперации энергии при торможении, движении накатом или сбросе скорости позволили сэкономить до 50% топлива. Управляемость и комфортность гибридного автобуса обеспечиваются скоростью реакции системы органов управления и электропривода на управляющие воздействия водителя, которая для электрической системы на порядок превышает скорость реакции механической или гидромеханической системы.
Шум тягового оборудования снизился за счет исключения механической связи между ДВС и колесами (половина элементов механической трансмиссии), а так же применения ДВС меньшей мощности по сравнению с традиционной схемой. Применение электронной системы управления тяговым приводом позволило реализовать функции управления и сервиса, недоступные на обычном транспортном средстве.
Для магистральных и маневровых тепловозов перспективными являются тяговые электрические передачи переменного тока [84].
Тепловозы могут быть выполнены с механической, гидравлической и электрической передачами тяговой мощности.
Дизель по своим характеристикам не соответствует требованиям тяги. Мощность дизеля при неизменной подаче топлива пропорциональна частоте вращения коленчатого вала, а момент на валу незначительно уменьшается. Необходимо, чтобы с увеличением скорости движения происходило значительное уменьшение тягового момента на колесах тепловоза при постоянной мощности дизеля. Для оптимального использования дизеля применяют устройства, преобразующие его энергию и момент требуемым образом. Варианты исполнения энергетических установок тепловозов представлены на рис. 1.5.
При электрической передаче (рис. 1.6, а) в энергетическую цепь включен тяговый генератор 2, который преобразует механическую энергию вала дизеля в электрическую. Электрическая энергия от генератора поступает к тяговым электрическим двигателям 3, которые кинематически, обычно через редуктор, связаны с колесными парами 4 и приводят их во вращение.
При гидравлической передаче (рис. 1.6, б) энергия дизеля 1 затрачивается на привод гидравлического насоса 2, сообщающего энергию жидкости в замкнутом контуре специальных гидроаппаратов. Поступая в гидравлическую турбину 3, находящуюся в контуре циркуляции, жидкость передает ей свою энергию. С выходным валом турбинного колеса механически, обычно с помощью карданных валов и редукторов, вращение передается колесным парам 4. Топливо Топливо Электрическая энергия Н 2 НИ З НН 4 а) Кинетическая энергия жидкости Н 2 НИ З НН б) Рис. 1.6. Схемы энергетических установок тепловозов а – с электрической передачей: 1 – дизель; 2 – тяговый генератор; 3 – тяговый электродвигатель; 4 – колесная пара; б – с гидравлической передачей: 1 – дизель; 2 – гидравлический насос; 3 – гидравлическая турбина; 4 – колесная пара Применение электрической передачи увеличивает КПД тепловоза по сравнению с гидравлической.
Энергетические установки, предназначенные для движения судов (СЭУ), состоят из источников энергии, находящихся на самом судне, гидравлического движителя, преобразующего механическую энергию вращения в энергию поступательного движения судна, и передачи, соединяющей источник энергии и движитель [83].
Источниками энергии на морских и речных судах являются тепловые двигатели — дизели и паровые или газовые турбины, с помощью которых химическая энергия топлива или тепловая энергия преобразуется в механическую энергию.
Передача энергии от тепловых двигателей к судовым движителям может быть механической, гидравлической или электрической.
Установки с электрической передачей энергии к гребным винтам называются гребными электрическими установками (ГЭУ). На рис. 1.7 приведена общая схема ГЭУ, которая включает первичные источники энергии: тепловые двигатели 5; генераторы 4 постоянного или переменного тока; щит электродвижения 2; гребные электродвигатели (ГЭД) 1, соединенные с движителями, чаще всего с гребными винтами; систему возбуждения 3; системы ручного и автоматизированного управления 6; посты управления 7 [45, 79, 90]. На рис. 1.8 представлены типовые электрические структурные схемы судовых ЭС [47].
ГЭУ используются в тех случаях, когда это технически и экономически оправдано, и, прежде всего, тогда, когда требуется получить особые механические характеристики приводных двигателей гребных винтов, малую шумность, снижение вибрации или частое изменение скорости и направления движения судна, а также когда энергетическая установка используется не только для обеспечения движения судна, но и для питания механизмов, мощность которых соизмерима с мощностью ГЭД.
Экспериментальное исследование динамических режимов работы ЭС на базе ДГУ переменной частоты вращения
Произведено моделирование режима плавного (частотного) пуска СД по линейной, S-образной, экспоненциальной характеристикам задающего воздействия для ЕЭС мощностью 85, 200, 500, 700, 1000 кВт.
Работа имитационной модели в режиме пуска СД реализована следующим образом. Задающий сигнал подается на вход системы управления, преобразователь частоты изменяет частоту выходного напряжения в соответствии с заданием. Начинается разгон СД. Потребляемая мощность растет. Данные о потребляемой мощности считываются блоком вычисления мощности нагрузки, в соответствии с чем, формируется сигнал задания частоты вращения вала дизеля. Сигнал задания частоты дизеля формируется на основе данных о потребляемой мощности ЕЭС и функции задания оптимальной частоты дизеля с точки зрения экономии топлива. Частота вращения вала дизеля растет, увеличивается амплитуда выходного напряжения генератора и мощность, подаваемая на питание синхронного двигателя.
В режиме пуска система автоматического регулирования работает в штатном режиме - частота вращения вала дизеля регулируется в зависимости от потребляемой мощности СД, при увеличении момента нагрузки и частоты вала СД увеличивается частота вала дизеля и СГ. Частота напряжения на выходе ПЧ задается кривой зад в соотвествии с характеристикой задающего воздействия. Нагрузкой СД является гребной винт, согласно (2.43) образуемый им момент увеличивается пропорционально квадрату частоты вращения, что можно наблюдать на кривых Mc (рис.3.1, в). Пуск моделировался при начальной частоте СД равной нулю, частота вращения вала дизеля равной частоте холостого хода (0,3 н).
Результаты моделирования режима пуска СД по линейной характеристике задающего воздействия для ЕЭС мощностью 500 кВт представлены на рис. 3.1.
Получены зависимости электромагнитного момента СД M, частоты вращения ротора СД , момента нагрузки СД Mc, частоты вращения вала дизеля д , заданной частоты СД зад.
В данном режиме наблюдаются колебательные переходные процессы, которые хорошо видны на графике электромагнитного момента (рис. 3.1, а) в начале пуска и после достижении заданной частоты СД. В начале пуска колебательный процесс обусловлен расхождением фактической частоты ротора и заданной. Амплитуда колебаний электромагнитного момента достигает 0,5 о.е. По мере разгона ротора СД его частота стабилизируется и выравнивается с заданной, при этом колебательный процесс заканчивается и разгон продолжается монотонно нарастающим электромагнитным моментом. В конце пуска, вследствие резкого изменения характера задающего воздействия – линейно нарастающего на постоянное, происходит скачкообразное падение электромагнитного момента практически до нуля и дальнейший колебательный процесс, сопровождающий стабилизацию частоты ротора на заданном значении. Амплитуда колебаний электромагнитного момента достигает 1,5 о.е.
По результатам моделирования пуска СД по линейному задающему воздействию для ЕЭС мощностью 85 кВт, 200 кВт, 500 кВт, 700 кВт, 1000 кВт построены интегральные характеристики (рис. 3.2). Максимальный электромагнитный момент, достигаемый при пуске (рис. 3.2, а) практически не зависит от мощности исследуемой ЕЭС. Длительность пуска линейно увеличивается с ростом мощности ЕЭС (рис. 3.2, б). Длительность колебательного переходного процесса в начале пуска линейно увеличивается в зависимости от мощности исследуемой ЕЭС (рис. 3.2, в). Длительность колебательного переходного процесса в конце пуска практически не зависит от мощности исследуемой ЕЭС (рис. 3.2, в).
На рис. 3.3 представлены результаты моделирования режима пуска СД по S-образной характеристике задающего воздействия для ЕЭС мощностью 500 кВт.
Получены зависимости электромагнитного момента СД M, частоты вращения ротора СД , момента нагрузки СД Mc, частоты вращения вала дизеля д , заданной частоты СД зад.
В данном режиме также наблюдаются колебательные переходные процессы, в начале пуска и после достижении заданной частоты СД. В начале пуска колебательный процесс обусловлен теми же факторами, что и при пуске по линейной характеристике, имеет схожую длительность и амплитуду колебаний. Амплитуда колебаний электромагнитного момента достигает 0,7 о.е. В конце пуска, вследствие плавного изменения задающего воздействия, амплитуда колебаний значительно ниже, чем при пуске по линейной характеристике. Амплитуда колебаний электромагнитного момента не превышает 0,05 о.е.
Коэффициент полезного действия трансформатора
ШИП и АИ. Применение силовых полевых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET) является предпочтительным в области низких рабочих напряжений и коммутируемых токов до 25-50 А [20, 78]. Для биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) с номинальным напряжением в диапазоне 600 - 1200 В в открытом до насыщения состоянии прямое падение напряжения, так же как и для биполярных транзисторов, находится в диапазоне 1,5 - 3,5 В. При токах, больших 25 - 50 А это значение меньше, чем характерное падение напряжения сток-исток в полевых транзисторах с изолированным затвором с такими же токами и номинальными напряжениями. где ICAV — среднее за время импульса проводимости значение тока коллектора, UCE(IC) — напряжение насыщения при данном токе коллектора, определяется из графика UcE = f(Jc), приводимого в технических данных.
Мощность динамических потерь транзистора MOSFET с учетом тока обратного восстановления оппозитного диода (оппозитный диод имеет характеристики проводимости и восстановления, соответствующие характеристикам внутреннего диода полевого транзистора, как это имеет место в полумостовых и мостовых схемах [113, 116]): где ID — максимальный ток стока, Us — напряжение питания, f - частота переключения, QRR — заряд обратного восстановления оппозитного диода, — составляющая времени обратного восстановления t R, пока напряжение на диоде остается близким к нулю (примерно равно времени включения транзистора ton), ton=Q lQ , QG — полный заряд затвора , IQ - ток затвора. Мощность динамических потерь транзистора IGBT:
ETS - суммарная энергия потерь с учетом тока коллектора и импеданса цепи управления затвором, определяется по графикам ETS =( G) и ETS =( С).
На внутреннем диоде транзистора MOSFET или на встроенном диоде транзистора IGBT мощность рассеивается при коммутации тока в индуктивной нагрузке. Прирост температуры кристалла за счет рассеяния мощности на антипараллельном диоде должен рассчитываться отдельно, т. к. тепловое сопротивление RJC для диода часто отличается от значения RJC для транзистора [111]:
На основании (4.18 – 4.29) строится расчет коэффициента полезного действия преобразователя частоты в пакете MathCad. На рис. 4.7, 4.8 представлены графики зависимости к.п.д. от частоты питающего напряжения и мощности нагрузки для преобразователей частоты номинальной мощностью 75 кВт и 1000 кВт.
Оценка топливной экономичности ЕЭС мощностью 100 и 1000 кВт Гребной винт (ГВ) является нагрузкой гребного двигателя и определяет его выходную мощность.
Используя модель расчета КПД синхронной машины, и зная мощность нагрузки, развиваемую гребным винтом (ГВ), можно рассчитать потребляемую мощность гребного двигателя. По аналогии рассчитывается потребляемая мощность каждого компонента последовательной структуры ЕЭС до первичного двигателя (дизеля).
Расчет расхода топлива ДВС производится для частот вращения ГВ в диапазоне от 75 до 300 об/мин с шагом 25 об/мин.
Для определения показателей потребления топлива используется многопараметровая (универсальная) характеристика ДВС [31, 32, 34] . Для проведения расчетов выбран двигатель номинальной мощностью 1500 л.с. (1100 кВт), номинальной частотой вращения коленчатого вала 400 об/мин.
Многопараметровая характеристика данного двигателя представлена на рис. 4.9 [57, 58]. Момент на валу ГВ, как следует из (2.43), пропорционален квадрату частоты его вращения. Для указанного двигателя выбран ГВ максимальной мощностью 807 кВт (300 об/мин). График зависимости мощности нагрузки ГВ от частоты его вращения представлен на рис.4.10.
Рис.4.9. Многопараметровая (универсальная) характеристика СОД фирмы SEMT – «Пилстик» типа РС4-480. Ne- мощность дизеля – кВт, n – обороты дизеля, ge – удельный Рис.4.10. Зависимость мощности на валу гребного винта от частоты вращения расход топлива – г/кВт ч, pe – среднее эффективное давление на поршень – кгс/см2 108 Расчет топливной экономичности ЕЭС мощностью 1000 кВт на базе ДГУ переменной частоты вращения, при работе на нагрузку «гребной винт» Для выделенных выше режимов работы ГВ, частота питающего напряжения СД будет определяться из соотношения
На основании методик расчетов, представленных выше, а также зная частоту и мощность нагрузки, можно найти КПД ПЧ, трансформатора, СД для каждой заданной частоты вращения ГВ. Рассчитав КПД всех звеньев ЕЭС после СГ и зная мощность на валу гребного винта для 10 режимов его работы можно рассчитать мощность на выходе СГ для данных режимов по формуле P СГ= P ГВ/(СД НПЧ ТР).
На основании расчетов указанных выше можно построить характеристики удельного потребления топлива, при работе по представленной нагрузочной характеристике, 2-х ЕЭС одинаковой мощности [95] (рис.4.11):
Зная показатели удельного потребления топлива и мощности нагрузки дизеля можно построить зависимости абсолютного потребления топлива от частоты вращения винта (рис.4.12).
В результате проведенных расчетов были получены графики зависимостей удельного и абсолютного потребления топлива от частоты вращения гребного винта (рис. 4.11, 4.12). Из полученных графиков видно, что ЕЭС с регулированием частоты ДГУ достигает экономичности от 16,7% до 9,6% по удельному расходу топлива (г/кВт ч) в диапазоне частот
Удельный расход топлива ДВС ЕЭС 1000 кВт 1 – без регулирования частоты ДГУ, 2 - с регулированием частоты ДГУ. Ge удельный расход топлива ДВС, n – частота вращения гребного винта.
Абсолютный расход топлива ДВС ЕЭС 1000 кВт 1 – с регулированием частоты ДГУ; 2 - без регулирования частоты ДГУ; G – абсолютный расход топлива ДВС; n – частота вращения гребного винта вращения винта от 0 до 175 об/мин по сравнению с ЕЭС без регулирования частоты ДГУ. По абсолютному расходу топлива (г/ч) ЕЭС с регулированием частоты ДГУ достигает экономичности от 28% до 15% в диапазоне частот вращения винта от 0 до 175 об/мин.
Расчет топливной экономичности ЕЭС мощностью 1000 кВт на базе ДГУ переменной частоты вращения при работе на нагрузку «гребной винт» с учетом регулирования возбуждения
Приведенные выше характеристики удельного и абсолютного потребления топлива строились без учета регулирования возбуждения. Для установления наиболее экономичного решения, необходимо учитывать зависимость тока возбуждения от тока статора [6, 8, 11, 22, 85]. Уравнение, отражающее оптимальное регулирование тока возбуждения для минимальных потерь при любой рабочей частоте питающей сети [85] zz
