Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние вопроса и перспективы использования накопителей энергии в электротранспортных комплексах 14
1.1 Требования, предъявляемые к накопительным элементам для работы в системе электрического транспорта 15
1.2 Накопители энергии в системе электроснабжения 16
1.2.1 Электромеханические накопители энергии 19
1.2.2 Сверхпроводящие индуктивные накопители энергии 21
1.2.3 Емкостные накопители энергии 23
1.3 Схемотехнические решения тяговых приводов транспортных средств с накопителями энергии 28
1.3.1 Тяговые приводы с электрохимическими накопителями энергии 28
1.3.2 Тяговые приводы с емкостными накопителями энергии 31
1.4 Выводы 39
2 Повышение эффективности тяговой сети с помощью накопительных устройств 40
2.1 Режимы работы системы электроснабжения с накопительными устройствами 41
2.1.1 Накопитель энергии, установленный в системе электроснабжения 43
2.1.2 Накопитель энергии, установленный на подвижной единице з
2.2 Накопительное устройство как средство сглаживания формы потребляемого поездом тока 49
2.2.1 Оценка потерь энергии в тяговой сети при различных режимах работы накопителей энергии 55
2.2.2 Влияние увеличения массы подвижного состава на удельный расход энергии 59
2.3 Накопительное устройство как средство ограничения величины потребляемого поездом тока 61
2.3.1 Определение пропускной способности тяговой сети при использовании накопителей энергии 65
2.3.2 Режимы работы системы электроснабжения при использовании накопителя энергии в режиме ограничения тока поезда 67
2.3.3 Зависимость формы кривой тока поезда в функции длины перегона и профиля пути 70
2.4 Выводы 76
3 Определение параметров накопительного устройства для городского электрического транспорта 78
3.1 Определение массогабаритных параметров накопителя энергии 80
3.1.1 Определение закона изменения ослабления магнитного поля тягового двигателя в режиме торможения 81
3.1.2 Определение ёмкости и массы накопительного устройства 86
3.2 Исследование процесса заряда накопителя энергии в режиме торможения транспортного средства 88
3.2.1 Расчёт величины добавочного сопротивления 90
3.2.2 Модель процесса работы добавочного сопротивления в среде MatLAB 93
3.2.3 Работа схемы в режиме торможения в диапазоне средних и низких скоростей 94
3.3 Исследование работы тягового привода с накопителем энергии в режиме тяги 97
3.3.1 Исследование релейного способа управления импульсным регулятором 98
3.3.2 Математическое моделирование тягового привода с накопителем энергии 109
3.4 Выводы 112
4 Моделирование режимов работы тягового привода с накопителем энергии 114
4.1 Имитационное моделирование тягового привода с накопителем энергии в среде MatLAB Simulink 114
4.1.1 Исследование буферного режима работы накопительного устройства 117
4.1.2 Исследование работы привода в режиме ограничения максимального тока поезда 118
4.2 Исследование физической модели энергоэффективного тягового привода с накопителем энергии 122
4.2.1 Структура физической модели тягового привода с накопителем энергии 123
4.2.2 Основные элементы физической модели 124
4.2.3 Схемы силовой части установки и системы управления.. 127
4.2.4 Исследование импульсного регулятора с релейным законом управления 132
4.2.5 Исследование работы привода с накопителем энергии в буферном режиме 135
4.2.6 Исследование работы привода с накопителем энергии в режиме ограничения тока поезда
4.3 Выводы 137
Заключение 138
Список использованных источников
- Электромеханические накопители энергии
- Оценка потерь энергии в тяговой сети при различных режимах работы накопителей энергии
- Определение закона изменения ослабления магнитного поля тягового двигателя в режиме торможения
- Структура физической модели тягового привода с накопителем энергии
Введение к работе
Актуальность проблемы. В связи с либерализацией энергетического рынка России предполагается рост цен на энергоносители. Это приведёт к неизбежному повышению энергетической составляющей затрат в энергоёмких отраслях промышленности с темпами 6-8% в год, что потребует не только внедрения энергосберегающих технологий во все отрасли промышленности, но и разработки принципиально новых решений, направленных на повышение эффективности преобразования энергии. Важность решения данной проблемы зафиксирована в Федеральной целевой программе «Энергоэффективная экономика» на 2007-2010 годы и на период до 2015 года».
В современных условиях перспективными направлениями повышения эффективности электротранспортных комплексов являются разработка и внедрение новых технологий в области электроподвижного состава (ЭПС) и систем тягового электроснабжения (СТЭ), повышающих эффективность преобразования энергии во всех элементах комплекса. При разработке этих направлений необходимо учитывать и анализировать не только отдельные элементы комплекса, но и их взаимные связи.
Одним из таких направлений в нашей стране и за рубежом является разработка и внедрение в транспортные комплексы новых видов источников энергии, позволяющих повысить эффективность использования энергии электроподвижным составом и способных придавать неавтономным транспортным средствам новые свойства, такие как, автономный ход.
К настоящему времени накоплен большой опыт по исследованию вопросов преобразования энергии на электрическом транспорте. Значительный вклад в решение вопроса, связанного с разработкой энергоэффективных тяговых приводов и разработкой методов снижения энергопотребления на движение поезда внесли учёные: И.С. Ефремов, В.Е. Розенфельд, К.Г. Марквардт, В.П. Феоктистов, В.В. Шевченко, A. Ruffer, Д.А. Бут, Н.И. Щуров, В.И. Сопов, А.А. Штанг и др.
Вторым направлением, исследующим применение накопителей энергии в транспортном комплексе, является область автономного электрического и гибридного транспорта. Значительный вклад в области исследований выравнивания нагрузок на тяговые аккумуляторные батареи с помощью накопителей энергии, а также разработки методов проектирования таких накопителей внесли российские и зарубежные учёные: К.Л. Богданов, В.Н. Аносов, И.Н. Варакин, M. Zolot, K.J. Kelly, T. Markel, A.Burke и др.
Известные работы, выполненные различными научными школами, в основном содержат решение отдельных задач, связанных с вопросами энергосбережения и не содержат комплексных исследований взаимосвязей между элементами электротранспортного комплекса. На сегодняшний день нет однозначного решения относительно места установки накопителя энергии (НЭ) в электротранспортном комплексе. Это, в первую очередь связано с тем, что накопители энергии могут выполнять различные функции. Между тем, наличие на борту подвижного состава дополнительного источника энергии позволяет не только эффективно использовать энергию торможения в форме регенеративного торможения (взамен рекуперации, которая в этом случае является менее эффективной), но и изменять форму тока поезда, потребляемого из сети, обеспечивая тем самым снижение нагрузки на тяговые сети.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности использования энергии в электротранспортных комплексах с накопителями энергии.
Для достижения поставленной цели в работе поставлены следующие задачи:
-
Провести комплексный анализ схемотехнических решений различных элементов электротранспортного комплекса с накопительными устройствами.
-
Исследовать теоретически влияние формы кривой тока поезда на пропускную способность контактной сети и потери энергии в элементах системы электроснабжения.
-
Провести оценку влияния режимов работы накопительных устройств на энергетические показатели электротранспортного комплекса в целом.
-
Разработать алгоритм управления тяговым электроприводом, обеспечивающий эффективное использование энергии торможения подвижного состава и снижение нагрузки на систему электроснабжения в режиме тяги.
-
Разработать методику расчёта параметров накопителя энергии для размещения его на электроподвижном составе.
-
Разработать структурную и имитационную модели для анализа электромагнитных процессов в энергоэффективном тяговом приводе.
-
Исследовать работу тягового электропривода с накопителем энергии на физической модели.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является система наземного городского электрического транспорта. Необходимость выделения системы наземного городского электрического транспорта (ГЭТ) из общего электротранспортного комплекса продиктована наличием большого числа случайных факторов, оказывающих существенное влияние на режимы работы всей системы.
Предметом исследования являются энергетические характеристики электроподвижного состава, оборудованного накопителями энергии и перераспределение энергетических потоков в системе наземного ГЭТ при использовании накопителей электрической энергии.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использован комплексный метод исследований, включающий в себя анализ и обобщение данных научно-технической литературы, теоретические и экспериментальные методы. В основе теоретических исследований лежат методы математического, структурного и имитационного моделирования с применением прикладных программных пакетов, методы теории электрических цепей. Достоверность полученных результатов обеспечивается параллельным использованием различных моделей, а также их подтверждением в ходе экспериментальных исследований.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Доказательство эффективности выравнивания нагрузок тяговой сети с помощью накопителя энергии, установленного на подвижном составе; аналитические выражения для расчётов среднеквадратичного тока поезда при различных режимах работы накопителя энергии.
-
Результаты исследований влияния формы тока поезда на величину потерь энергии в тяговой сети и пропускную способность контактной сети по условиям максимального тока.
-
Способы повышения эффективности использования энергии торможения подвижного состава в режиме регенеративного торможения взамен рекуперации.
-
Пути снижения массогабаритных показателей накопителя энергии при использовании регулирования тока возбуждения тяговой электрической машины в режиме торможения.
Научная новизна полученных результатов.
Установлено, что для выравнивания нагрузок в тяговых сетях электротранспортных комплексов, характеризующихся значительным непостоянством энергопотребления, наиболее эффективным является применение накопителей энергии на электроподвижном составе, а не в системе электроснабжения.
Предложены новые алгоритмы управления накопителями энергии, установленными на электроподвижном составе, позволяющие более эффективно выравнивать нагрузки элементов системы электроснабжения и повышающие эффективность передачи энергии от тяговых подстанций до транспортного средства.
Предложена и обоснована методика определения параметров накопителя энергии для ограничения тока поезда, обеспечивающая более эффективное использование накопителя при снижении его массогабаритных параметров.
Практическая значимость полученных результатов заключается в решении задачи создания новых способов управления тяговым приводом, позволяющих повысить эффективность использования энергии электрического торможения подвижного состава с помощью накопительных устройств. Разработаны инженерные методики расчёта параметров накопительных устройств для системы наземного ГЭТ. Совокупность полученных результатов позволяет эффективно использовать энергию торможения подвижного состава и минимизировать потери энергии в элементах системы тягового электроснабжения.
Использование на практике разработанных алгоритмов и моделей позволит создавать энергоэффективные тяговые электроприводы для троллейбусов и трамваев, а также производить модернизацию уже существующего парка подвижного состава.
Реализация результатов работы. Созданная физическая модель тягового привода с накопителем энергии, представляющая интерес для дальнейших исследований, использована в учебном процессе в качестве лабораторного стенда в дисциплинах «Тяговый электропривод» и «Основы электрического транспорта: Теория электрической тяги» при подготовке студентов по направлению 140600 – Электротехника, электромеханика и электротехнологии в Новосибирском государственном техническом университете. Разработанные имитационные и математические модели также используются в образовательном процессе при подготовке магистров по направлению 140600 и инженеров по направлению 140606 – Электрический транспорт.
Основные результаты работы были использованы в ходе выполнения работ по гранту молодым учёным мэрии г. Новосибирска (Договор №26-08 от 12 декабря 2008г.) при выполнении проекта № 2.1.2/4159 по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 – 2010 годы)».
Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Традиционной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, МЭИ, 2007г.); Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, НГТУ, 2005 и 2009гг.); Ежегодных научных сессиях факультета мехатроники и автоматизации НГТУ (2007, 2008, 2009гг.), а также научных семинарах кафедры «Электротехнические комплексы» НГТУ.
Публикации. Всего опубликовано 24 работы, из которых по теме диссертации - 9, в том числе:
- 7 статей, вошедших в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий;
- 1 статья в сборнике научных трудов;
- 1 доклад на международной конференции.
В работах 1, 7 соискателю принадлежит постановка задачи и её решение. Выводы сделаны соавторами совместно. В работах 2,3,4,5,8,9 соискателю принадлежит решение задачи. Постановка задачи и выводы сделаны соавторами совместно.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка библиографических источников из 92 наименований и приложений. Общий объём диссертации 165 страниц текста, включая 89 рисунков и 12 таблиц.
Электромеханические накопители энергии
Транспортная инфраструктура является одной из наиболее важных структур в любом государстве мира. Без мощной транспортной системы невозможно представить ни одну экономически развитую страну. Электрический транспорт занимает одно из ведущих мест по объему как грузовых, так и пассажирских перевозок.
Электрический транспорт является сложной технической системой, одним из основных элементов которой является подвижной состав. На сегодняшний день электроподвижной состав представляет собой высокотехнологичные подвижные единицы, сочетающие в себе условия повышенной комфортности и высокие технико-экономические показатели.
Рост мощностей тяговых двигателей с одной стороны и рост цен на энергоносители с другой приводят к необходимости разработки мер, направленных на более рациональное использование энергии. Наибольшего результата можно достичь за счет эффективного использования энергии торможения транспортного средства. Используемые в транспортной индустрии электрические машины являются обратимыми, т.е. могут использоваться для обратного преобразования механической энергии транспортного средства в электрическую энергию. Это преимущество электрических машин оправдывает их применение на транспортных средствах, оборудованных двигателями внутреннего сгорания. «Гибридизация» транспортных средств позволяет существенно снижать общий расход топлива [6, 14].
В процессе торможения вырабатываемая генератором электрическая энергия должна либо преобразовываться в другой вид энергии, либо аккумулироваться в накопительных устройствах. В системах неавтономного электрического транспорта широкое распространение получило рекуперативное торможение, при котором энергия торможения транспортного средства пере \ даётся через тяговую сеть другому потребителю и снова преобразуется в механическую или тепловую энергию в балластных резисторах на тяговых подстанциях [49].
В автономных транспортных средствах энергия торможения аккумулируется в накопительных устройствах, находящихся на борту транспортного средства. Такой вид электрического торможения принято называть регенеративным [7, 82], т.к. в отличие от рекуперативного торможения энергия не передаётся обратно в тяговую сеть. Накопитель энергии в этом случае является одним из важнейших элементов тягового привода: он обеспечивает не только режим регенеративного торможения, но и эффективное использование энергии первичного источника в режиме тяги.
На сегодняшний день нет единого мнения как относительно типа накопительного элемента, так и места его установки в электротранспортном комплексе. Тип накопителя энергии и место его установки во многом определяются решаемой задачей.
Режимы работы наземного городского электрического транспорта в значительной мере отличаются от режимов работы более организованных транспортных систем, таких как магистральные железные дороги и метрополитен. Эти специфические особенности (неравномерность электрических нагрузок, движение в общем транспортном потоке и др.) обуславливают наличие дополнительных требований, предъявляемых к накопителям энергии.
На основании анализа различных типов накопителей энергии [60, 81, 82] можно сделать вывод, что наиболее предпочтительными для электротранспортного комплекса являются следующие накопительные устройства: электромеханические (ЭМНЭ), емкостные (ЕНЭ), химические (ХНЭ) и сверхпроводниковые индуктивные накопители (СПИН). При размещении накопителя энергии на подвижном составе предпочтения отдают ЕНЭ и ХНЭ. Электромеханические и сверхпроводящие индуктивные накопители энергии устанавливаются в системе электроснабжения [54, 59], что обусловлено их габаритами.
Накопительные устройства для аккумулирования энергии электрического торможения должны удовлетворять следующим требованиям:
Обладать высокой удельной мощностью, достаточной для аккумулирования тормозной энергии за достаточно короткое время (время торможения 5 — 7 сек.);
Иметь высокий уровень удельной энергии. Как показали исследования [56], средняя величина энергии одного акта торможения составляет 0,75 -1,5 МДэю;
Иметь удовлетворительные массогабаритные показатели при условии размещения накопителя на подвижном составе;
Выдерживать большое количество зарядно-разрядных циклов. В процессе движения по городским улицам, транспортная единица может совершать несколько подтормаживаний и повторных пусков. Кроме того, этот параметр во многом определяет экономический эффект от внедрения накопительных устройств, т.к. замена отработавшего накопителя требует привлечения дополнительных финансовых средств;
Работать без существенного ухудшения эксплуатационных характеристик в широком диапазоне температур, особенно при низких температурах.
Кроме перечисленных требований накопитель энергии должен иметь высокий КПД и минимальную стоимость, что определяет эффективность его использования.
При размещении накопителя энергии в системе электроснабжения (тяговые подстанции, зоны между подстанциями, остановочные пункты) решают 17 ся две важные проблемы: приём избыточной энергии рекуперации и выравнивание нагрузок на выпрямительных агрегатах. Работа системы электроснабжения электрического транспорта в общем и городского электротранспортам особенности характеризуется большой неравномерностью электрических нагрузок. Эта неравномерность вызвана постоянно меняющимся значением потребляемого поездом тока и зависит главным образом от режимов движения электротранспортного средства. Переменная: нагрузка приводит к повышению потерь электроэнергии в элементах системы электроснабжения (таблица 1./) [60];
Оценка потерь энергии в тяговой сети при различных режимах работы накопителей энергии
Блок-схема алгоритма численного расчета тока ограничения представлена иг. рисунке 2.14. Расчет производится по выражениям (2.33) — (2.35) с использованием кривых движения и кривой потребляемого поездом тока. В основе расчета лежит последовательный пересчет площади, пропорциональной заряду, отдаваемому накопителем в ТЭД до момента, при котором этот заряд становится равным количеству электричества, запасенному в НЭ. Результаты расчетов изменения величины тока ограничения в зависимости от длины перегона представлены в таблице 2.3. Также в таблице 2.3 отражены результаты расчетов эффективного тока в секции контактной сети и сравнение результатов расчета с другими вариантами использования НЭ.
Расчеты показали, что использование НЭ для ограничения пика кривой тока поезда приводит к увеличению эффективного тока секции контактной сети и росту потерь энергии по сравнению с вариантом использования НЭ для выравнивания формы кривой тока поезда. Необходимо отметить, что с ростом длины перегона увеличивается значение тока 1огр, что связано со снижением скорости начала торможения и, как следствие, со снижением энергии торможения ЭПС.
Зависимость тока ограничения от длины перегона Чтобы отдать предпочтение одному из двух вариантов работы НЭ на ЭПС необходимо проанализировать еще несколько ключевых факторов: сравнить требуемые емкости накопительного устройства, оценить степень влияния длины перегона и профиля пути на параметры накопителя энергии.
Контактная сеть, как элемент системы электроснабжения, является элементом, который вносит ограничения в работу системы. При проектировании систем электроснабжения учитывают [71] интенсивность движения поездов, т.к. этот фактор определяет токовую нагрузку на контактный провод. На электрические параметра системы электроснабжения накладываются следующие ограничения:
По максимальному току в контактном проводе: плотность тока в медном контактном проводе рекомендуется і = 5 А/мм2 и допускается кратковременная нагрузка в «часы пик» j 6,8 А/мм2. Из этого условия эффективный ток в секции контактной сети не должен превышать допустимого значения, определяемого площадью сечения контактного провода и допустимой плотностью тока.
По величине потерь напряжения. Уровень напряжения на токоприемнике ЭПС определяет ходовую скорость и, как следствие, время хода ЭПС по перегону. В соответствии с нормами проектирования систем электроснабжения трамваев и троллейбусов [36] средние потери напряжения на токоприемнике при тяге не должны превышать 90 В, а максимальное падение напряжения при вынужденных режимах - 170 В.
По условиям защиты контактной сети. Токи короткого замыкания фидера должны отвечать условию 1КМ Ки Imt, т.е. максимальный ток линии должен быть меньше минимального тока короткого замыкания, на который настроена защита; Кн = 1,5 для нормального и Кн -1,2 для вынужденного режима работы тяговой сети. Рассмотрим влияние места установки НЭ на пропускную способность контактной сети. Из условий максимального тока секции допустимая плотность поездов пл (п/км) [70]: V п = Аг +4-NJ -А 2-L А = гсх-к2э,- NJac Kcx lo (2.36) где Zcx = 1, Ксх = 1 - коэффициенты схемы при одностороннем питании, Zcx =1,33, Ксх =2 - то же при двустороннем питании; Кэ — коэффициент эффективности поездного тока; IдС = jд SCKC - допустимый ток секции; /о - средний ток, потребляемый поездом из сети, SCKC = 2 SKn Киз — расчетная площадь секции, SKn — номинальное сечение контактного провода; Киз = 0,925 - коэффициент износа проводов контактной сети.
Из выражения (2.36) видно, что в большей степени на ограничение пропускной способности влияет величина среднего тока, потребляемого поездом из тяговой сети. Коэффициент эффективности оказывает меньшее влияние.
Расчет пропускной способности проводился для трёх вариантов: НЭ в системе электроснабжения (ИСУ), НЭ на ЭПС, работающий в. буферном режиме (БНЭ) и НЭ на ЭПС для ограничения максимального тока поезда (ОГР). Расчет проводился для системы электроснабжения с односторонним питанием, контактного провода МФ-85, тип ЭПС - троллейбус. Результаты приведены на. рисунке 2.16.
Расчеты показали, что снижение эффективного тока поезда позволяет не только снизить потери энергии в элементах тяговой сети, но и существенно повысить пропускную способность контактной сети по условиям максимального тока. При стандартной длине секции 1,5 км можно увеличить плотность поездов с 4,6 до 8,5 п/км для режима ограничения максимального тока поезда. Увеличение количества подвижного состава на линии приведет к снижению времени ожидания транспортного средства и, в конечном итоге, повысит привлекательность и конкурентоспособность городского наземного электротранспорта.
С другой стороны, сохраняя существующие интервалы движения можно значительно увеличить длину секций тяговой сети и длину межподстанционных зон (с 1,5 до 2,65 км). В таком случае уменьшается количество тяговых подстанций, необходимых для функционирования электротранспортного комплекса, что снижает капитальные затраты на содержание транспортной системы.
Проведённые расчёты показали эффективность выравнивания нагрузки на элементы СТЭ при работе накопителя энергии, размещённого на борту транспортного средства, в режиме ограничения максимального тока поезда, потребляемого из сети. В реальных условиях на лини функционирует несколько единиц подвижного состава, что неизбежно приведёт к изменению полученных расчётных показателей эффективности.
Значение коэффициента эффективности тока линии определяет неравномерность тока, протекающего по питающему фидеру и определяется на основании свойств дисперсии по известному коэффициенту эффективности поездного тока: Кэл=1 + —-, (2.37) п где Кэ — коэффициент эффективности поездного тока, п — среднее количество поездов на секции. Результаты расчётов значения коэффициента эффективности тока линии приведены в таблице 2.4. Расчёт показал, что с увеличением количества единиц подвижного состава неравномерность нагрузки снижается.
Определение закона изменения ослабления магнитного поля тягового двигателя в режиме торможения
Блок системы управления на базе контроллера AVR. Кинематическая схема механической части модели представлена на ри сунке 4.9. Вал тягового электродвигателя постоянного тока 1 соединяется по средствам карданного вала 2 с редуктором 3 колёсной пары 4. Посредствам клиноременной передачи 5 колёсная пара связана с тахометрическим генера тором 6, напряжение на зажимах которого пропорционально скорости вра щения колёсной пары. Сигнал с тахогенератора регистрируется цифровым осциллографом.
Блок-схема электрической силовой части стенда представлена на рисунке 4.10. В качестве источника питания выступает трёхфазный трансформатор 1, соединённый с выпрямителем по схеме Ларионова 2. В схеме находится Г-образный LC-фильтр 3. Накопитель энергии на базе конденсатора двойного электрического слоя 4 подключается через преобразователь 5. Преобразователь 6 служит для регулирования напряжения, подводимого к тяговому двигателю постоянного тока 7.
На стенде в качестве механической нагрузки на тяговый электродвигатель используется тележка трамвайного вагона РВЗ-6, внешний вид которой представлен на рисунке 4.11. Маховая масса колёсной пары вагона имитирует массу подвижного состава.
В качестве приводного двигателя в модели использована электрическая машина постоянного тока последовательного возбуждения типа П-41, номинальные данные которого представлены в таблице П.Б.1. Двигатель П-41 питается постоянным током при напряжении 60 В. Электромеханические характеристики на ободе колеса представлены на рисунке 4.12 [74]. Скорость вращения лабораторной установки фиксируется при помощи тахометрического генератора ЭТ-7, вал которого связан с осью колесной пары посредством клиноременной передачи. Напряжение, снимаемое с зажимов тахогенератора, прямо пропорционально скорости вращения установки {рисунок П.Б.1). В качестве накопителя электрической энергии в физической модели используется конденсатор двойного электрического слоя ПОПП - 14/0,15 производства ЗАО «ЭЛИТ», Россия {рисунок 4.13), параметры накопителя приведены в приложении Б. 126 t\ У(км/ч) JF(H) Характеристики F I) и пШ даны без 4UU350 учета пот ерь в зубчатой пер едаче \ 0,9 4(1 60 300 250 AF(I) У(і) 40 200 0,45 150 20 ЮО 501— 0 15 25 35 Рисунок 4.12 - Электромеханические характеристики на ободе колеса Рисунок 4.13 - Внешний вид накопителя энергии В качестве полупроводниковых ключей использованы MOSFET транзисторы IRFP260N компании International Rectifier, технические характеристи 127 ки которых приведены в таблице П.Б.З, а внешний вид ключа представлен на рисунке П.Б.2. Для улучшения теплоотвода транзисторы закреплены на радиаторе, который охлаждается вентилятором.
Для фиксации токов, протекающих в цепи, использованы датчики тока Honeywell CSLA1DE и CSLA1CF, с пределами измерения 75 и 100 А соответственно. Датчики тока производят измерения бесконтактным способом на основе эффекта Холла. Основные технические характеристики датчиков тока приведены в таблице П.Б.4.
Для записи осциллограмм токов и напряжений на персональный компьютер использован двухканальный цифровой осциллограф Velleman PCS64L Основные технические характеристики осциллографа приведены в таблице П.Б.5.
Для обработки сигналов использовано специализированное программное обеспечение, позволяющее использовать прибор, как в режиме осциллографа, так и в режиме самописца.
Программа исследований на физической модели включает в себя исследование работы релейной (следящей) системы управления двигателем, исследование работы тягового привода с накопителем энергии в буферном режиме и исследование работы привода в режиме ограничения максимального тока поезда.
Схема стенда для исследования релейной схемы управления, а также для исследования буферного режима работы НЭ представлена на рисунке 4.14. На рисунке 4.14 приняты следующие обозначения: СТ - Силовой трансформатор; СВ - Силовой выпрямитель; СПК — Силовой полупроводниковый ключ; ЭД — Электродвигатель; РМ — Рабочий механизм (колёсная пара трамвайной тележки); ИП - Источник питания цепей управления; СУ - Система управления; СС - Система согласования; ДТ - Датчик тока; ЗУ - Задающее устройство.
С помощью задающего устройства устанавливается уставка среднего пускового тока в двигателе. Сигнал передаётся в систему управления, где происходит сравнение тока уставки и мгновенного значения тока, протекающего в двигателе, значение которого приходит с датчика тока через систему согласования. На основании сравнения СУ даёт команды на открытие или закрытие силового ключа СПК.
Для исследования параллельной работы питающей сети и накопителя энергии в режиме ограничения тока поезда (контролируемый разряд НЭ) необходимо следить за мгновенным значением тока, потребляемого из сети. Структурная схема модели для этого случая представлена на рисунке 4.17.
Отличие схемы {рисунок 4.14) от схемы {рисунок 4.15) заключается в необходимости контроля не только тока в двигателе, но и тока, потребляемого из сети. Поэтому система управления, в отличие от первого случая, обрабатывает два сигнала: ток двигателя для поддержания постоянства ускорения подвижного состава и ток, потребляемый из сети, для обеспечения ограничения тока поезда.
Структура физической модели тягового привода с накопителем энергии
Из выражения (2.36) видно, что в большей степени на ограничение пропускной способности влияет величина среднего тока, потребляемого поездом из тяговой сети. Коэффициент эффективности оказывает меньшее влияние.
Расчет пропускной способности проводился для трёх вариантов: НЭ в системе электроснабжения (ИСУ), НЭ на ЭПС, работающий в. буферном режиме (БНЭ) и НЭ на ЭПС для ограничения максимального тока поезда (ОГР). Расчет проводился для системы электроснабжения с односторонним питанием, контактного провода МФ-85, тип ЭПС - троллейбус. Результаты приведены на. рисунке 2.16.
Расчеты показали, что снижение эффективного тока поезда позволяет не только снизить потери энергии в элементах тяговой сети, но и существенно повысить пропускную способность контактной сети по условиям максимального тока. При стандартной длине секции 1,5 км можно увеличить плотность поездов с 4,6 до 8,5 п/км для режима ограничения максимального тока поезда. Увеличение количества подвижного состава на линии приведет к снижению времени ожидания транспортного средства и, в конечном итоге, повысит привлекательность и конкурентоспособность городского наземного электротранспорта.
С другой стороны, сохраняя существующие интервалы движения можно значительно увеличить длину секций тяговой сети и длину межподстанционных зон (с 1,5 до 2,65 км). В таком случае уменьшается количество тяговых подстанций, необходимых для функционирования электротранспортного комплекса, что снижает капитальные затраты на содержание транспортной системы.
Проведённые расчёты показали эффективность выравнивания нагрузки на элементы СТЭ при работе накопителя энергии, размещённого на борту транспортного средства, в режиме ограничения максимального тока поезда, потребляемого из сети. В реальных условиях на лини функционирует несколько единиц подвижного состава, что неизбежно приведёт к изменению полученных расчётных показателей эффективности.
Значение коэффициента эффективности тока линии определяет неравномерность тока, протекающего по питающему фидеру и определяется на основании свойств дисперсии по известному коэффициенту эффективности поездного тока: Кэл=1 + —-, (2.37) п где Кэ — коэффициент эффективности поездного тока, п — среднее количество поездов на секции.
Результаты расчётов значения коэффициента эффективности тока линии приведены в таблице 2.4. Расчёт показал, что с увеличением количества единиц подвижного состава неравномерность нагрузки снижается.
Эффективные токи питающих линий тяговых подстанций /лэ, среднее падение напряжения в секции контактной сети AU и средние потери мощности в тяговой сети АР при различном количестве поездов на секции определяются по выражениям [71].
Выражения (2.38) при следующих исходных положениях:
Число поездов на секции является случайной величиной, при этом среднее значение поездов на секции - щ; Токи поездов также являются независимыми случайными величинами, характеризующимися средним 10 и эффективным 1Э значениями;
Поезда относительно друг друга могут занимать любое пространственное положение и потреблять любой из возможных на секции токов.
Режимы работы системы электроснабжения при наличии НЭ: а - среднее падение напряжения в секции; б - средние потери мощности в секции Расчёты показывают, что, в зависимости от количества поездов на секции, среднее падение напряжения на токоприёмнике подвижного состава при работе накопителя энергии в режиме ограничения тока поезда снижается на 40-43%. Также использование накопителя энергии для ограничения тока, по-требляемого из сети, приводит к снижению потерь мощности в контактной сети в среднем на 65%.
Эффективность сглаживания-илиіограничения-максимального значения формы кривой тока поезда во многом определяется характером движения ЭПС по перегону, в особенности формой кривой потребляемого тока. При условии, что напряжение тяговой сети принимается постоянным, можно считать, что площадь кривой тока поезда пропорциональна энергии, потребляемой на движение транспортного средства. Кривые потребляемого поездом тока (для перегонов длиной 350 и 1000 м.) показаны на рисунке 2.18. На рисунке 2.18 также показано среднее расчетное значение тока ограничения (ІОГР.СР) t,c
Зависимость тока поезда от времени для различных длин перегонов Объём энергии, отдаваемой накопительным устройством для перегонов длиной 350 и 1000 м пропорционален площадям S л S соответст г г амноо алтов венно. Разница этих площадей незначительна, поэтому можно считать, что требуемая емкость накопителя энергии не зависит от длины перегона. Этот вывод справедлив только при условии, что рассматривается движение транспортного средства по схеме «пуск-выбег-торможение», т.е. не учитываются случайные факторы, оказывающие влияние на характер движения транспортного средства и на его энергопотребление.
Энергия электрического торможения троллейбуса практически не зависит от длины перегона [27] в силу того, что постоянной остается скорость начала торможения. Таким образом, для режима ограничения пика тока поезда энергия накопительного устройства: А гг0 —А -п «const, (2.39) ИЗ тор зар v } что также подтверждают результаты моделирования движения подвижного состава по перегонам различной длины {таблица 2.3). В (2.39) приняты следующие обозначения: Атор — энергия электрического торможения ЭПС, 7] — КПД процесса заряда НЭ в режиме торможения ЭПС.
