Введение к работе
Актуальность проблемы: С общемировым ростом цен на энергоносители проблема снижения потерь при преобразовании, распределении и потреблении энергии становится приоритетным направлением развития многих областей промышленности и секторов экономики, в том числе и транспортной индустрии, как одной из наиболее энергоемких отраслей экономики. В связи с этим актуальной задачей в сфере транспортной энергетики является сокращение расхода топлива автономными транспортными средствами, к которым предъявляется ряд жестких требований: высокая экономичность, экологичность, надежность, возможность работы на дешевых видах топлива, низкая стоимость обслуживания, высокие массогабаритные показатели. Поэтому при создании перспективных мощных скоростных автономных локомотивов (610 МВт) весьма актуальна проблема применения газотурбинных двигателей (ГТД), имеющих следующие основные преимущества перед дизелем: существенно лучшие массогабаритные показатели, высокая ремонтопригодность, дешевое топливо и меньший расход смазки, меньше вредных выбросов в атмосферу.
Применение ГТД так же позволит согласовать тяговые характеристики автономного и электрического подвижного состава по мощности и скорости.
Вместе с тем ГТД присущи значительные недостатки: существенная зависимость экономичности от мощности и частоты вращения, большой расход топлива в режиме холостого хода. Одним из путей решения проблемы по устранению отмеченных выше недостатков ГТД является использование накопителей энергии.
Поэтому при проектировании и создании газотурбовозов проблема увеличения эксплуатационного КПД в режиме долевых тяговых нагрузок за счет применения накопителя энергии является актуальной.
Цель работы: разработка принципов построения и способов управления электроэнергетической системой на основе накопителей энергии для повышения экономичности первичного двигателя перспективного газотурбовоза.
Объект исследования: электроэнергетическая установка перспективного автономного транспортного средства со сверхпроводниковым индуктивным накопителем энергии (СПИН) и газотурбинным первичным двигателем.
Предмет исследования: режимы работы, способы управления, массогабаритные и энергетические параметры электротехнического комплекса со СПИН, обеспечивающего повышение экономичности газотурбинного двигателя автономного транспортного средства с электрической передачей.
Задачи исследования:
– Обоснование типа и энергоемкости накопителя применительно к специфическим условиям работы в составе газотурбинной энергетической установки;
– Разработка зарядно-разрядного преобразователя для СПИН, обеспечивающего согласование характеристик источников, накопителей и потребителей электрической энергии автономного транспортного средства;
– Разработка способов регулирования дополнительной мощности, отбираемой накопителем энергии от газотурбинной установки при различных условиях движения транспортного средства;
– Разработка решений по повышению эффективности использования накопленной энергии.
Методы исследования. Решение поставленных задач выполнено с использованием методов термодинамики, теории электромагнитного поля, теории электрических цепей, аналитико-численных методов с использованием пакета MATLAB и компьютерного моделирования в пакете SIMULINK.
Достоверность научных результатов.
Достоверность научных положений и работоспособность предложенных технических решений подтверждена результатами экспериментальных исследований макетного образца электроэнергетической установки. Погрешность результатов расчетов токов и напряжений на основных элементах преобразователя по отношению к экспериментальным измерениям не превышает 5%.
Научная новизна:
– Предложена методика оценки электромагнитных и массогабаритных параметров обмотки тороидального СПИН;
– Разработаны способы регулирования мощности, отбираемой СПИН от тягового турбоагрегата. Определены требования к преобразователю, обеспечивающему заряд и разряд СПИН в электроэнергетической системе перспективного транспортного средства.
– Созданы компьютерные модели, позволяющие исследовать работу разработанных зарядных и разрядных преобразователей, согласующих СПИН с источниками и потребителями традиционного исполнения.
Практическая ценность работы:
– Предложено для повышения эксплуатационного КПД перспективного газотурбовоза использовать СПИН в качестве дополнительной нагрузки первичного двигателя в режимах долевых тяговых нагрузок с последующим использованием накопленной электрической энергии для питания бортовых потребителей собственных нужд в режиме холостого хода ГТД;
– Определены предельные электромагнитные и массогабаритные параметры обмотки тороидального СПИН по условиям размещения в заданных габаритах транспортного средства;
– Разработаны схемотехнические решения и алгоритмы управления преобразовательными устройствами, обеспечивающими импульсный режим накопления и отдачи электрической энергии;
– Разработано техническое решение, позволяющее повысить эффективность использования энергии, накопленной в СПИН.
Реализация работы.
Разработанные в диссертации принципы работы схемы поэтапного заряда и разряда сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии через промежуточный емкостной накопитель и варианты способов регулирования времени и потребляемой мощности при заряде сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии от источников питания традиционного исполнения использованы при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по сверхпроводящим магнитным системам электрофизических установок в научно-исследовательском вычислительном отделе научно-технического центра «Синтез» Федерального государственного унитарного предприятия «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры имени Д.В. Ефремова».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и осуждались на: международном симпозиуме «Eltrans’ 2007» «Электрификация и организация скоростных и тяжеловесных коридоров на железнодорожном транспорте» (г. Санкт-Петербург, 23–26 октября 2007 г); международном симпозиуме «Eltrans’ 2009» «Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте» (г. Санкт-Петербург, 20-23 октября 2009 г); международной конференции «Современные технологии – транспорту» (г. Санкт-Петербург, 28 апреля 2009 г); Всероссийской научно-технической конференции «Транспорт 2010» (г. Ростов-на-Дону, 14-16 апреля 2010 г); научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Шаг в будущее» (Санкт-Петербург, ПГУПС в 2007, 2008 и 2009 годах); заседаниях кафедры «Электромеханические комплексы и системы» (Санкт-Петербург, ПГУПС в 2007, 2008 , 2009 и 2010 годах).
Публикации. По теме диссертационной работы имеется 7 публикаций, из них один патент на полезную модель, и одна публикация в издании, рекомендуемом ВАК Минобразования Росси.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объём диссертации составляет 156 страниц, включая 70 рисунков, 6 таблиц и 3 приложения. Библиографический список содержит 115 наименований.
