Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние разработок и внедрения преобразователей для питания собст венных нужд на пассажирском подвижном составе 7
1.1 Применение преобразователей на российских железных дорогах 7
1.2 Преобразователи фирмы ABB 16
1.3 Преобразователи фирмы Alstom 23
1.4 Преобразователи фирмы EVPU, Словакия для пассажирских вагонов 26
1.5 Способы определения основных параметров статических преобразова телей и системы централизованного электроснабжения вагона 26
2 Анализ параметров и режимов работы потребителей электроэнергии пас сажирских вагонов 31
2.1 Состав потребителей вагона 31
2.2 Анализ эксплуатационных режимов питания электрооборудования ваго нов высоким напряжением 36
2.3. Математическая модель работы электропотребителей вагона 39
2.4 Выбор параметров источников питания вагонных потребителей 47
2.4.1 Потребители переменного тока 220 В 50 Гц 47
2.4.2. Потребители, обеспечивающие работоспособность вагона и безопасность движения 47
2.4.3 Низковольтные нагреватели 49
2.4.4 Электродвигатели 50
3 Анализ режимов работы аккумуляторных батарей и их зарядных устройств 54
3.1 Алгоритмы заряда и число аккумуляторов в батарее 54
3.2 Режимы разряда аккумуляторной батареи 61
3.3. Методика определения ёмкости аккумуляторной батареи 66
3.3.1. Определение ёмкости по времени и току разряда
3.3.2. Оценка возможности применения аналитического выражения процесса разряда никель-кадмиевой аккумуляторной батареи к вагонным аккумуляторным батареям 68
3.3.3. Методика определения потребной ёмкости аккумуляторной батареи по её нагрузочной способности на основании аналитического выражения процесса разряда 76
3.4. Математическая модель работы аккумуляторной батареи и её зарядно го устройства 82
4 Исследование энергетических показателей климатического оборудования 84
4.1 Анализ режимов работы и конструктивных особенностей климатического оборудования 84
4.2 Математическая модель работы климатического оборудования 87
4.2.1. Общие положения 87
4.2.2 Исходные данные 89
4.2.3 Принципы расчёта тепловых процессов при работе климатического оборудования 89
4.2.4 Математическая модель системы термоавтоматики 92
4.3 Сравнительный анализ энергозатрат при различных исполнениях систе мы климатического оборудования 94
5 Экспериментальное исследование режимов работы и параметров преобра зователей 99
5.1. Общие положения 99
5.2 Методика испытаний преобразователей. Испытательное и измеритель ное оборудование 99
5.3 Методика определения энергетических показателей статических преоб разователей 105
5.4 Суточные графики нагрузки преобразователей вагонов 117
5.5 Направления совершенствования структурных схем статических преоб разователей 123
5.6 Мощностные характеристики преобразователей вагонов с ц.э.с. 136 Заключение 138
Список использованной литературы
- Преобразователи фирмы ABB
- Математическая модель работы электропотребителей вагона
- Методика определения ёмкости аккумуляторной батареи
- Математическая модель работы климатического оборудования
Введение к работе
Актуальность работы. Задача внедрения централизованного электроснабжения всех потребителей пассажирского поезда (ц.э.с.) была поставлена в 60-е годы, после начала широкой электрификации железных дорог СССР. На первом этапе решения этой задачи, в ходе массового внедрения высоковольтного отопления, на электрифицированных направлениях была создана инфраструктура, необходимая для работы ц.э.с. Увеличение скоростей движения пассажирских поездов потребовало для обеспечения безопасности движения заменить автономную систему электроснабжения (а.э.с.) пассажирских вагонов с приводом генератора от оси колёсной пары на ц.э.с. В связи с этим на российских железных дорогах внедрение ц.э.с. в первую очередь проводится на скоростных вагонах для международного сообщения и для скоростной линии Москва - Санкт-Петербург. По мере расширения полигона скоростного движения, (в ближайшей перспективе - линии Москва - Нижний Новгород, Москва - Ростов - Минеральные воды, Адлер) потребность в таких вагонах будет возрастать.
Применение вагонов с ц.э.с. перспективно на всех электрифицированных направлениях, составляющих 48 % от общей протяжённости сети железных дорог России и выполняющих до 70 % пассажирских перевозок позволит:
-обеспечить независимость электроснабжения вагонов от скорости движения и возможность нормального электроснабжения в отстое;
- повысить общий к.п.д. системы электроснабжения пассажирского поезда вследствие исключения преобразования электрической энергии в механическую на локомотивах и механической энергии в электрическую на вагонах;
-увеличить число вагонов в поезде за счёт уменьшения удельного со
противления движению поезда.
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ і
БИБЛИОТЕКА і
С. Петербург eifl \
В последние годы для создания надёжных и эффективных статических преобразователей для пассажирских вагонов с ц.э.с. в связи с развитием полупроводниковой техники открылись новые возможности. Основным препятствием для широкого внедрения ц.э.с. в настоящее время является высокая цена преобразователей зарубежного производства и отсутствие надёжных отечественных преобразователей, сопоставимых по цене с комплексом устройств а.э.с. (подвагонным генератором, приводом и т.п.). Цена преобразователя напрямую зависит от его мощности и числа выходных каналов, поэтому рациональный выбор его параметров с учётом условий эксплуатации является важной и актуальной задачей.
Цель диссертационной работы: определение параметров и структуры преобразователей для разных типов пассажирских вагонов, выполненных на базе современных достижений преобразовательной техники при максимальной унификации узлов и оборудования.
Для достижения указанной цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:
проведён анализ отечественного и зарубежного опыта создания и внедрения статических преобразователей для пассажирского подвижного состава;
выполнен анализ параметров и режимов работы потребителей электроэнергии пассажирских вагонов;
разработана методика определения необходимой ёмкости аккумуляторной батареи пассажирского вагона с ц.э.с;
создана математическая модель работы вагонного оборудования, в том числе холодильной установки кондиционера, учитывающая основные воздействующие факторы окружающей среды в зависимости от климатического пояса и времени года;
с помощью указанной модели определена необходимая общая мощность преобразователя и распределение мощности по выходам преобразователя;
разработана методика экспериментального определения энергетических показателей преобразователей и на основании полученных экспериментальных данных проведены расчёты энергетических показателей преобразователей с различными структурными схемами.
Методы исследования. Поставленные задачи были решены посредством экспериментального определения энергетических параметров преобразователя и его элементов и математического моделирования работы вагонного оборудования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработана математическая модель работы основных электропотребителей вагона, в том числе холодильной установки кондиционера;
разработана методика определения необходимой ёмкости аккумуляторной батареи, учитывающая её нагрузочную способность в соответствии с условиями эксплуатации;
разработана методика экспериментального определения энергетических показателей преобразователей и с её использованием проведено сравнение преобразователей с различными структурными схемами.
Практическая ценность. Определены значения необходимой ёмкости аккумуляторных батарей для вагонов различных типов с применением разработанной методики.
Использование разработанной методики экспериментального определения энергетических показателей преобразователей позволяет сократить время проведения испытаний по определению энергетических показателей преобразователей.
Разработанная и выполненная на базе программы Excel математическая модель работы климатического оборудования вагона позволяет провести
6 анализ параметров его рабочих режимов в различных климатических зонах эксплуатации. Даны рекомендации по совершенствованию оборудования вагона для снижения расхода электроэнергии климатическим оборудованием в переходные периоды года.
В результате выполненных расчётов определены значения нагрузок преобразователей вагонов различных типов в продолжительном, часовом и кратковременном режиме.
Результаты проведённых исследований использованы при разработке утверждённых в установленном порядке документов:
"Технических требований к перспективным пассажирским вагонам локомотивной тяги" в части электрооборудования;
"Технических требований к моторвагонному подвижному составу" в части вспомогательного электрооборудования электропоездов;
"Общих технических требований к типовому ряду высоковольтных статических преобразователей для пассажирских вагонов и электропоездов";
Типовой методики электрических испытаний электрооборудования пассажирских вагонов с централизованным электроснабжением ТМ-21-002-98;
Типовой методики электрических испытаний нетягового оборудования пассажирского подвижного состава ТМ 07-05-02.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на конференциях молодых учёных и аспирантов в г.Щербинка Московской обл. в феврале 2000 г. и в апреле 2001 г., а также на международной конференции молодых учёных в г. Варшава в апреле 2000 г. и на международной конференции "Экспериментальное кольцо ВНИИЖТ -70" в сентябре 2002 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 научных статей.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и 7 приложений.
Работа изложена на 184 страницах машинописного текста, содержит 24 рисунка, 20 таблиц, включая приложения. Список использованных источников включает 69 работ.
Преобразователи фирмы ABB
Параметры систем, применяемых в странах Европы (пп. 1...4а табл. 1.4) предусмотрены требованиями стандартов МСЖД [2, 20, 21] и применяются в зависимости от принятой системы тягового электроснабжения [22]. Следует отметить, что в странах Европы централизованное электроснабжение пассажирских поездов широко применяется как на электрифицированных, так и на неэлектрифици-рованных линиях [23, 24, 25 26].
Вопросы создания и внедрения системы ц.э.с. на железных дорогах СССР разрабатывались специалистами МИИТа, ВНИИЖТа, МЭИ и других ведущих институтов и ВУЗов [27, 28, 29].
Требования к системе 3 кВ постоянного тока, применяемой в странах СНГ и Балтии (п.4б табл.1.4), определяются особенностями тяговых сетей: большой мощностью тяговых подстанций и применением рекуперативного торможения. Для обеспечения работы отопления без переключений в схеме соединения нагревателей на железных дорогах стран СНГ и Балтии, электрифицированных на переменном токе, для электроснабжения поезда применяется система 3 кВ 50 Гц. Пределы изменения напряжения поездной магистрали при этой системы определяются допустимыми отклонениями напряжения в контактной сети (12...29 кВ) и коэффициентом трансформации между первичной обмоткой тягового трансформатора электровоза и обмоткой для электроснабжения поезда [30, 31].
Структурные схемы низковольтных цепей системы распределения энергии, в которую входит и преобразователь, могут выполняться с общей шиной и с общим трансформатором. Напряжение шин в рассмотренных примерах - постоянного тока от 550 до 675 В (Siemens и др.). В ряде случаев преобразователь выполняется с одним выходом трёхфазного переменного тока 220/380 В 50 Гц, от которого получают питание все вагонные электропотребители, в том числе цепи постоянного тока и заряда аккумуляторной батареи, подключаемые через трансформатор и выпрямитель. Кроме рассмотренного в п.1.1 преобразователя фирмы "SEPSA", по такой схеме были выполнены преобразователи опытного вагона модели 61-807 с кондиционированием воздуха постройки КВЗ 1980 г [32, 33] и вагона-ресторана постройки завода "Аммендорф" (ГДР) 1981 г [34, 35, 36]. На вагонах без кондиционирования как правило применяются преобразователи с одним выходом постоянного тока 24, 50 или 110 В мощностью от 4,5 до 12 кВт [37].
Важной задачей является определить в каком случае какое из перечисленных решений лучше, т.е. имеет оптимальное соотношение между надёжностью, стоимостью изготовления и эксплуатационными расходами. На перечисленные показатели влияют простота конструкции, установленная мощность оборудования, возможность применения унифицированных узлов при изготовлении и ремонте, а также энергетические показатели системы. Для нахождения оптимального соотношения между указанными показателями необходимо: - исследовать режимы работы преобразователя с целью разработки методики оценки их энергетических показателей, определения режимов нагрева различных элементов с целью оценки нагрузочной способности и характера протекания аварийных процессов с целью выработки требований к защитным устройствам; -исследовать режимы работы потребителей энергии с целью определения необходимых мощностей преобразователей, расчёта и сравнения эксплуатационных показателей различных схем преобразователей.
Вопросам определения нагрузки на источники питания уделяется большое внимание при проектировании промышленных сетей. Основные принципы их решения подробно освещены в литературе [38, 39]. На суточные графики нагрузки промышленных сетей и энергосистем в целом оказывает влияние большое число случайных факторов, поскольку от этих источников, как правило, получает питание большое количество маломощных по сравнению источником питания потребителей. При этом графики нагрузки потребителей, как правило, периодические, но циклы работы потребителей короткие и практически несинхронизированы между собой.
Вопросы определения мощности системы электроснабжения вагона с применением методов вероятностного анализа были рассмотрены в диссертационной работе А.А.Шустера [40]. В работе была рассмотрена система а.э.с. с подвагонным генератором вагона с кондиционированием воздуха. Однако подвагонный генератор имеет только один выход, поэтому при использовании выводов этой работы для определения параметров статических преобразователей вагонов с ц.э.с. остаётся открытым вопрос о распределении мощности между выходами преобразователя, а также о принципах построения структуры преобразователя.
В работе было также отмечено, что на работу вагонного электрооборудования влияет очень большое число факторов, которые сложно учесть в расчётах. Однако современный уровень компьютерной техники заметно расширил возможности математического моделирования.
Кроме того, на пассажирских вагонах сравнительно немного потребителей, и все они предназначены для обслуживания пассажиров. Поэтому работа всех потребителей привязана ко времени суток и к графику движения, и графики их нагрузки можно считать синхронизированными между собой. Это обстоятельство заметно облегчает построение суточного графика нагрузки системы электроснабжения вагона. Поэтому для определения необходимой мощности преобразователя в целом и его отдельных выходов следует построить суточные графики работы электропотребителей вагона. Исходя из необходимой мощности и учитывая требования обеспечения электробезопасности, следует определить напряжение питания потребителей. Входное напряжение преобразователя определяется существующими на железных дорогах системами электроснабжения, а также принятой системой электроснабжения пассажирских поездов, применяемой для их отопления.
Математическая модель работы электропотребителей вагона
Как было показано в п.3.2, аккумуляторная батарея должна обеспечить питание потребителей всех трёх групп в течение стоянки 30 мин (верхняя ступень нагрузки), и после этого в случае аварии электроснабжения питание потребителей групп "Н" и "0" в течение 5 часов (нижняя ступень нагрузки). При этом переключение ступеней нагрузки должно осуществляться автоматически путём регулировки ступеней РМН или по времени работы. В этом случае можно сделать предварительную оценку необходимой ёмкости батареи по формуле:
Результаты расчётов ёмкости аккумуляторных батарей по формуле (3.2) для вагонов WLABme, К/кицс и 61-4170 представлены в табл.3.2. Там же указаны ёмкости установленных на вагонах аккумуляторных батарей. Из приведённых данных видно, что при условии полного заряда батарей, принятом разделении электропотребителей по группам и предложенном алгоритме отключения ступеней нагрузки ёмкость батарей вагонов WLABme и К/кицс выбрана с запасом, на вагоне 61-4170 ёмкости батареи достаточно для обеспечения всех потребителей только в летнем режиме, а для обеспечения живучести вагона зимой при аварии электроснабжения следует вручную отключать часть потребителей, поскольку при отрицательных температурах ёмкость, отдаваемая батареей, значительно снижается [48].
В связи с этим следует пересмотреть разбиение потребителей на группы по их важности.
К группе "0" следует отнести потребители, работа которых обеспечивает безопасность эксплуатации вагона (система пожарной сигнализации, система контроля нагрева букс, хвостовые сигнальные фонари), а также системы управ 67 ления вагонным электрооборудованием, обеспечивающие возобновление нормальной работы вагонного оборудования при восстановлении питания высоковольтной поездной магистрали. Для снижения тока разряда батареи целесообразно предусмотреть автоматическое отключение блоков управления высоковольтным преобразователем при отсутствии напряжения в высоковольтной поездной магистрали более 0,5 часа. При этом их повторное включение должно включаться автоматически при подаче высокого напряжения.
К группе "Н" следует отнести потребители, обеспечивающие минимальные комфортные условия для пассажиров - освещение лампами накаливания. Его мощность при номинальном напряжении можно снизить до 400 Вт (19 ламп по 15 Вт) для купейного вагона и до 300 Вт для вагона открытого типа (с общим салоном: плацкартного и с местами для сидения).
К группе "В" следует отнести потребители, кратковременное отключение которых ухудшает комфортные условия для пассажиров. В их число следует включить люминесцентное освещение и софиты, вентилятор вагона, а для вагонов повышенной комфортности также бытовые потребители синусоидального тока напряжением 220 В 50 Гц (аудио и видео аппаратура и др.), получающие питание через специальный преобразователь. При этом следует отметить, что вентилятор будет работать с пониженной производительностью, определяемой санитарными нормами подачи наружного воздуха, поэтому потребляемая им мощность летом не превысит 100 Вт, а зимой 50 Вт (прил.2).
Питание от аккумуляторной батареи обогрева фекального бака не требуется на основании изложенного в п.2.3 и прил.1.
В табл.3.1 приведены мощности и предлагаемое распределение по группам потребителей вагона-ресторана, купейного вагона и вагона открытого типа, а в табл.3.2 - полученные при этом суммарные параметры нагрузки и токи разряда аккумуляторной батареи при напряжении цепей управления 50 В, а также, для сравнения, аналогичные параметры купейного вагона при напряжении цепей управления 110 В. Ёмкость, рассчитанная для этих вариантов сочетания нагрузок по формуле(3.2), составила соответственно 182, 82, 61 и 37 Ач.
Поскольку в этом случае токи разряда до отключения верхней ступени нагрузки превышают ток 2-часового разряда, следует также оценить нагрузочную способность аккумуляторной батареи, т.е. способность обеспечивать необходимую величину напряжения в заданном режиме разряда. 3.3.2. Оценка возможности применения аналитического выражения процесса разряда никель-кадмиевой аккумуляторной батареи к вагонным аккумуляторным батареям
Известно, что величина напряжения разряда аккумулятора U зависит от его э.д.с. Е, внутреннего сопротивления г и тока I, протекающего через аккумулятор. Поэтому для оценки нагрузочной способности аккумуляторной батареи необходимо знать зависимость внутреннего сопротивления от тока аккумулятора, температуры электролита, характер изменения э.д.с. и внутреннего сопротивления аккумулятора по мере его заряда и разряда, а также изменение внутреннего сопротивления при снижении ёмкости аккумулятора к концу срока его службы и соотношение внутренних сопротивлений аккумуляторов аналогичных конструкций, но разной ёмкости.
Аналитическое выражение зависимости напряжения аккумулятора от тока нагрузки и отданной в процессе разряда ёмкости при различных значениях температуры электролита может быть получена на основании следующих допущений [48], сделанных на основе анализа экспериментальных данных: э.д.с. аккумулятора практически не зависит от температуры в диапазоне от -50 до +20С; э.д.с. заряженного и не включённого на разряд аккумулятора постепенно снижается и через 120 ч после окончания заряда достигает установившегося значения (1,36...1,38 В), поэтому э.д.с. в начале разряда аккумулятора тем выше, чем меньше прошло времени между окончанием заряда и началом разряда, но после отдачи аккумулятором 30% от номинальной ёмкости это различие практически исчезает; если разряд аккумулятора начат спустя более 120 ч после окончания заряда, то снижение э.д.с. в зависимости от отданной при разряде ёмкости будет линейным, а если разряд аккумулятора начат раньше, то на начальном этапе разряда указанная зависимость будет иметь нелинейный участок, сопрягающийся с прямолинейным участком после отдачи аккумулятором 30% от номинальной ёмкости. полное внутреннее сопротивление аккумулятора зависит от температуры электролита, отданной с начала разряда ёмкости и тока нагрузки, причём возрастание падения напряжения с ростом тока носит нелинейный характер. Кривая падения напряжения на полном внутреннем сопротивлении аккумулятора при разряде током постоянной величины в зависимости от отданной ёмкости в нача 69 ле разряда возрастает незначительно и практически линейно и резко увеличивается в конце разряда.
Методика определения ёмкости аккумуляторной батареи
Среди последних наибольший КПД у инвертора, преобразующего напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока 50 Гц прямоугольной формы (модуль 3 из БЭВ1.2, выход За, см. п.5.2), в котором силовые транзисторы работают с коэффициентом заполнения, близким к 1, а дроссели фильтра имеют минимальные параметры. Далее в порядке снижения КПД следуют характеристики импульсного стабилизатора напряжения постоянного тока (модуль 2с из БЭВ1.2), в котором силовой транзистор работает с коэффициентом заполнения не менее 0,77, затем трёхфазный инвертор с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения (модуль 4 из БЭВ1.2, характеристика построена без учёта потерь от высших гармоник, выделяющихся в двигателях, получающих питание от инвертора). Промежуточное положение по КПД занимает трёхфазный инвертор с выходным напряжением переменного тока 50 Гц прямоугольной формы, входящий в состав преобразователя изготовленного в 1989 г. для опытного вагона модели 61-838. КПД у этого инвертора ниже, чем у модуля 3 БЭВ1.2, из-за применения достаточно несовершенных по сравнению с современным уровнем запираемых тиристоров GTO (одной из первых отечественных разработок в этой области).
Заметно ниже, но также близки между собой КПД модулей, содержащих трансформаторы (модули 2 и ЗЬ преобразователя БЭВ1.2, а также преобразователь постоянно-переменного тока серии ИН разработки ВЭИ).
Для повышения КПД преобразователя следует построить его структурную схему таким образом, чтобы по возможности сократить количество последовательных преобразований энергии, особенно по цепям питания наиболее мощных потребителей: на вагонах это электродвигатели холодильной установки кондиционера и нагреватели. Схема питания двигателей от промежуточной шины постоянного тока напряжением от 550 до 750 В (в зависимости от типа преобразователя) через трёхфазный мостовой инвертор многократно проверена на практике и хорошо себя зарекомендовала, в том числе и с точки зрения экономии энергии. При этом, в случае применения инвертора с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения, напряжение промежуточной шины должно быть не менее амплитудного значения первой гармоники выходного линейного напряжения [67]. При выходном напряжении 380 В и коэффициенте запаса 1,11 напряжение промежуточной шины должно быть 600 В постоянного тока.
Для питания нагревателей в тиристорных преобразователях со сравнительно низкой рабочей частотой высоковольтного инвертора нагреватели получали питание от отдельной обмотки трансформатора напряжением переменного тока 220 В прямоугольной формы. Однако для транзисторных преобразователей, с рабочей частотой до 20 кГц, такое решение неприемлемо с точки зрения электромагнитных помех, возникающих при прокладке по вагону высокочастотных силовых цепей. Питание нагревателей непосредственно от промежуточной шины напряжением 600 В постоянного тока, особенно кухонного оборудования вагона-ресторана, недопустимо с точки зрения обеспечения электробезопасности. Поэтому в случае использования на вагоне преобразователя, выполненного на силовых транзисторах, для питания нагревателей могут быть применены два варианта, рассмотренные в п.2.4.3: питание от промежуточной шины через инвертор и разделительный трансформатор напряжением 220 В 50 Гц или питание напряжением постоянного тока 110 В от специальных обмоток трансформаторов высоковольтной части преобразователя. Безусловно, это усложняет трансформаторы высоковольтной части, но, учитывая тенденцию к уменьшению их количества за счет применения в высоковольтных модулях транзисторов более высокого класса по напряжению, а также возможность построения схемы высоковольтной части с одним трансформатором, это усложнение сведётся к минимуму.
Кроме того, в этом случае те же обмотки трансформаторов и выпрямители можно использовать для питания потребителей постоянного тока и для заряда аккумуляторной батареи. При этом понижающие преобразователи постоянно-постоянного тока с внутренней гальванической развязкой заменяются гораздо более простыми по конструкции импульсными преобразователями, понижающими при напряжении цепей постоянного тока 50 В, или повышающим при напряжении 110 В для заряда аккумуляторной батареи и питания включённых параллельно с ней потребителей (при буферной схеме).
Источник для питания бытовых потребителей напряжением 220 В 50 Гц синусоидальной формы может быть рассчитан на работу как от напряжения сети питания потребителей постоянного тока (50 или 110 В), так и от напряжения 600 В. Как видно из графиков на рис. 5.7, величина первичного напряжения практически не влияет на КПД такого преобразователя. Однако с точки зрения обеспечения бесперебойного питания потребителей 220 В предпочтительнее подключение указанного преобразователя к сети питания потребителей постоянного тока. Подобный модуль, но с трёхфазным выходом может быть использован для обеспечения бесперебойного питания кухонного холодильного агрегата.
Для питания двух других кухонных холодильных агрегатов вагона-ресторана может быть применён трёхфазный инвертор с широтно-импульсной модуляцией и нерегулируемой частотой выходного напряжения.
С учётом сказанного, для питания низковольтного оборудования вагона-ресторана может быть применён преобразователь со структурной схемой, представленной на рис.5.8. Преобразователь для пассажирских вагонов может быть построен по аналогичной схеме, отличающейся лишь параметрами (меньшей мощностью) высоковольтных модулей, импульсных понижающих преобразователей напряжения постоянного тока для заряда аккумуляторной батареи и для питания потребителей постоянного тока и отсутствием модуля для питания кухонного холодильного оборудования. Сравним расчётные энергетические показатели предложенной схемы преобразователя для вагона-ресторана с показателями схемы с одной общей шиной, подобной схеме БЭВ1.2, представленной на рис. 1.2.
Характеристики элементов схем с одной и с двумя общими шинами получим, используя характеристики модулей преобразователя БЭВ1.2, представленные в п.5.3.
Для оценки энергетических показателей структурной схемы с двумя общими шинами следует откорректировать зависимости потерь от выходной мощности для высоковольтных модулей, импульсных понижающих преобразователей напряжения постоянного тока для заряда аккумуляторной батареи и для питания потребителей постоянного тока и модуля для питания кухонного холодильного оборудования.
Математическая модель работы климатического оборудования
При наличии конденсации части водяного пара на поверхности испарителя для определения температуры охлаждённого воздуха считаю, что относительная влажность воздуха на выходе из испарителя составляет 100%. Тогда влагосодер-жание охлаждённого воздуха х0Хл можно определить в зависимости от его температуры по кривой насыщения воздуха водяным паром. В расчётах используется выражение аппроксимации кривой насыщения (П2.3). После его подстановки в (П4.8) и необходимых преобразований получаем уравнение 2-й степени В2 U,2 + (w В,+ c+Qo/(AtnopVBB)) W(QoU/(AtnoVBB p)+w (В0-хсм)-с U. = 0, (П4.10) наибольший корень которого и является решением.
Искомая температура toxn- наибольшее из двух полученных значений.
Формулы (П4.1), (П4.2), (П4.5), (П4.6), (П4.9) и (П4.10) позволяют определить изменение основных рабочих параметров холодильной установки в процессе её работы при заданных начальных температурах конденсатора и испарителя. При этом для исключения ошибок в расчёте с одной стороны и рационального ограничения объёма производимых вычислений с другой, важно правильно выбрать величину шага расчёта по времени Ах.
С точки зрения минимизации ошибок расчёта, шаг Дх не должен превышать время, в течение которого температуры конденсатора и испарителя при наибольших скоростях их изменения могут выйти за пределы их реального рабочего диапазона. Быстрее всего может изменяться температура конденсатора при включённом компрессоре и отключённом двигателе вентилятора конденсатора. У установки кондиционирования воздуха УКВ-31-У1 такой режим возможен при сравнительно невысокой температуре наружного воздуха, когда при работе вентилятора конденсатора температура конденсации снижается до 41 С (давление конденсации 0,95 МПа), и двигатель вентилятора конденсатора отключается системой автоматики. Включение вентилятора происходит при последующем увеличении давления до 1,25 МПа, что соответствует температуре 51С. При отключённом вентиляторе темп роста температуры конденсации определяется отношением теплоёмкости конденсатора и его тепловой нагрузки. Теплоёмкость конденсатора установки кондиционирования воздуха УКВ-31-У1 составляет 57 кДж/К (два конденсатора, содержащих по 46 кг меди и 12 кг алюминия каждый), а наибольшая тепловая нагрузка - 42,4 кВт. В этом случае при отсутствии теплоотвода конденсатор нагреется с 41 до 51 С за 13 с, поэтому длительности шага расчёта Дт принимаем равной 10 с.
Следует также отметить, что при отключении вентилятора теплоотвод от конденсатора может происходить за счёт воздушных потоков, вызванных движением поезда и ветром. Расчёт интенсивности этих потоков крайне затруднён, однако очевидно, что скорость воздуха через конденсатор при отключённом вентиляторе не меньше скорости воздуха внутри вагона при естественной конвекции, которая в расчётах принималась равной 0,1...0,2 м/с [44]. Поэтому скорость воздуха через конденсатор при отключённом вентиляторе принимаем равной 0,2 м/с.
Таким образом, расчёт параметров рабочего режима холодильной установки кондиционирования воздуха выполняется в следующей последовательности:
Значения Ікмпр и fBK определяются моделью системы термоавтоматики (см. п.4.4.5) в зависимости от параметров рабочего режима, полученных в предыдущем шаге расчёта. Полученные в ходе расчёта данные используются при определении температуры и влажности в вагоне (t х0Хл)
В рассматриваемой жидкостной системе, аналогично существующим, величина теплоотдачи отопительных труб выбрана из расчёта компенсации теплопо-терь через ограждающие конструкции, а жидкостной калорифер рассчитан только для нагрева наружного воздуха, подаваемого для вентиляции вагона.
Теплоотдача жидкостной системы отопления определяется разностью температур теплоносителя и нагреваемого воздуха, поэтому для определения теплоотдачи следует рассчитать температуру теплоносителя (жидкости), который, благодаря значительной теплоёмкости, кроме функции передачи тепла от электронагревателей к воздуху в пассажирских помещениях, выполняет также роль накопителя тепла. За счёт этого при работе системы обеспечивается плавное регулирование температуры теплоносителя и, следовательно, теплоотдачи путём изменения продолжительности включения нагревателей, для чего, по опыту эксплуатации жидкостных систем отопления на вагонах, достаточно иметь две ступени регулирования мощности, потребляемой из сети. По этой причине система практически никогда не работает в стационарном режиме теплопередачи. В то же время, приведённые в [44] расчётные формулы, описывающие работу жидкостной системы и применяемые при её проектировании, применимы в стационарном режиме, поэтому наиболее простой путь построения модели работы системы жидкостного отопления - замена реального нестационарного режима последовательностью установившихся режимов, в которых теплоотдача и теплопоступления выражены через соответствующие параметры расчётного режима.
Представленная математическая модель описывает работу системы, аналогичной системам серийных вагонов, включающей в себя котёл, жидкостной калорифер и два одинаковых контура отопительных труб, проложенных вдоль боковых стен по всей длине вагона, кроме тамбуров. Каждый контур выполнен из труб одинакового диаметра (внутренний диаметр 83 мм, внешний - 89 мм). В каждом контуре от котла над окнами, на верхнем участке, и на вертикальном участке проложена одна труба, а под окнами, на нижнем участке - две трубы. Система заполнена водой. Основные размеры и теплотехнические параметры системы представлены в табл.
Теплоотдача труб системы жидкостного отопления пропорциональна разности температур воздуха в вагоне и воды в трубах. В стационарном режиме температура воды в зависимости от пройденного ею расстояния по отопительным трубам изменяется по экспоненциальному закону, стремясь достигнуть температуры воздуха в вагоне, но поскольку изменение температуры воды при прохождении по контуру в несколько раз меньше разницы между температурами воды и воздуха, характер изменения температуры воды зависимости от пройденного ею расстояния можно считать линейным. Кроме того, благодаря тому что изменение температуры воды при прохождении по контуру сравнительно невелико коэффициент теплопередачи на всех участках контура примерно одинаков. При этих допущениях теплоотдача труб системы жидкостного отопления определяется уравнением [44] где ктж- коэффициент теплопередачи отопительных труб; Этж- площадь поверхности отопительных труб. Из отношения уравнений (П5.1), записанных для номинального и моделируемого режимов, получим формулу для расчёта теплоотдачи труб отопления в моделируемом режиме:
Если принять, что коэффициент теплопередачи между водой и воздухом определяется тепловым сопротивлением между поверхностью труб отопления и воздухом, которое и в действительности значительно превышает другие тепловые сопротивления в этой цепочке, то температура поверхности труб равна температуре воды t, а коэффициент теплопередачи к пропорционален сумме коэффициентов теплоотдачи излучением а и конвекцией а на поверхности труб отопления, определяемых по формулам
