автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Повышение энергетической эффективности электропоездов постоянного тока

005010739

ВАСИЛЬЕВ Виталий Алексеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт - Петербург 2011

005010739

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО ПГУПС) на кафедре «Электрическая тяга».

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Евстафьев Андрей Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Феоктистов Валерий Павлович

кандидат технических наук, доцент Шатнев Олег Игоревич

Ведущая организация _ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»

Защита состоится «16» февраля 2012 г. в «15» час. «00» мин. на заседании диссертационного совета Д 218.008.05 при Петербургском государственном университете путей сообщения по адресу: 190031, Санкт -Петербург, Московский пр., д.9. ауд. 5-407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петербургского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан «16» января 2012 г.

Ученый секретарь _ —.—

диссертационного совета В.А. Кручек

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В «Энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года» отмечается необходимость снижения энергоемкости перевозочного процесса. В связи с чем, важное значение придается техническому перевооружению железнодорожного транспорта и улучшению тягово-энергетических показателей электроподвижного состава.

В настоящее время основной объем пригородных пассажирских перевозок на полигоне постоянного тока выполняется электропоездами ЭР2Р, ЭР2Т, ЭТ2, ЭТ2М, ЭД4М. На моторных вагонах этих электропоездов установлены четыре тяговых электродвигателя с номинальным напряжением 750В, которые постоянно соединены последовательно. Силовая схема вагона обеспечивает их работу в режиме тяги и электрического торможения.

Опыт эксплуатации показывает, что пусковые потери в реостатах этих электропоездов примерно в 1,5 раза выше, чем на электропоездах с перегруппировкой тяговых электродвигателей при пуске, а применение рекуперативного торможения позволяет сократить расход электроэнергии лишь на 7-10%.

Основными причинами низкой энергетической эффективности системы рекуперативного торможения этих электропоездов являются:

- ограничение скоростного диапазона рекуперации;

- отсутствие потребителей в контактной сети при рекуперации.

Радикальным путем улучшения энергетической эффективности

пригородных электропоездов постоянного тока является применение систем импульсного регулирования напряжения (ИРН) при пуске и рекуперативном торможении.

Опыт работ по проектированию и успешному применению систем

л 1 (

импульсного регулирования напряжения накоплен в ВНИИЖТ, МИИТ, МЭИ, ПГУПС и других организациях.

Проблема отсутствия потребителей в контактной сети при рекуперации может быть решена установкой мощных накопителей электроэнергии на электропоездах, с целью поглощения электроэнергии рекуперативного торможения.

Целью работы является повышение энергетической эффективности пригородных электропоездов постоянного тока применением системы импульсного регулирования напряжения с емкостными накопителями электроэнергии.

Объект исследований: пригородный электропоезд постоянного тока

ЭД4М.

Предметом исследования является система импульсного

регулирования напряжения с емкостным накопителем энергии.

Задачи исследования:

- обоснование типа бортового накопителя энергии рекуперативного торможения электропоезда;

- определение параметров емкостного накопителем энергии;

- разработка алгоритмов управления системой импульсного

регулирования напряжения с емкостным накопителем энергии;

- разработка силовой схемы системы импульсного регулирования напряжения с емкостным накопителем энергии;

- разработка имитационной модели системы импульсного

регулирования напряжения с емкостным накопителем энергии;

- экспериментальные исследования системы импульсного

регулирования напряжения с емкостным накопителем энергии.

Методика исследований

В диссертационной работе использовались методы расчета

электрических цепей, теория электрической тяги, экспериментальные исследования и моделирование с помощью компьютерных программ МаИаЪ, ЬаЬУ1Е\У.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Предложены алгоритмы управления системой импульсного регулирования напряжения с емкостным накопителем энергии, обеспечивающие коэффициент неравномерности тока менее 0,1 при переключении тяговых двигателей от емкостного накопителя к контактной сети в режиме разгона и рекуперативного торможения электропоезда. При этом минимальный коэффициент заполнения импульсных преобразователей должен быть не более 0,01.

2. Доказано, что запасенной в разработанном бортовом емкостном накопителе энергии рекуперативного торможения достаточно, для разгона электропоезда ЭД4М до скорости выхода на характеристику полного возбуждения.

3. Доказано, что применение ионисторов типа ЗОЭКЗОЗ и позволяет минимизировать массо-габаритные показатели бортового накопителя энергии электропоезда.

Практическая ценность

1. Обоснована целесообразность применения ионисторов в схемах бортовых накопителей энергии пригородных электропоездов постоянного тока.

2. Доказана возможность снижения расхода энергии на движение электропоезда ЭД4М на 15% использованием системы импульсного регулирования напряжения с емкостным накопителем энергии.

3. Разработана система импульсного регулирования напряжения с емкостным накопителем энергии для пригородного электропоезда ЭД4М.

Достоверность основных теоретических положений и работоспособность предложенных технических решений подтверждены результатами экспериментальных исследований макетного образца системы импульсного регулирования напряжения с емкостным накопителем на лабораторном стенде.

Реализация и внедрение результатов работы:

Изготовлен, налажен и испытан макетный образец системы импульсного регулирования напряжения с емкостным накопителем энергии.

Апробация работы.

Диссертационная работа обсуждалась на заседаниях кафедры «Электрическая тяга» в 2009, 2010 и 2011 годах. Основные результаты работы прошли апробацию на: Научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых “Шаг в будущее”, Санкт-Петербург, 2009, 2010; пятом и шестом международных симпозиумах ЕИгапв “Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте”, Санкт-Петербург, 2009,2011; пятнадцатой и шестнадцатой Санкт-Петербургской ассамблее молодых ученых и специалистов, Санкт-Петербург, 2010; научно-практической конференции "Транспорт-2010", Ростов-на-Дону, 2010; Научно-практической конференции студентов, аспирантов, и молодых ученых Электромеханического факультета ИрГУПС “Проблемы, решения, инновации транспорта Российской Федерации”, Иркутск, 2010; Всероссийской молодежной научно-практической конференции с международным участием "Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке", Хабаровск, ДВГУПС, 2011.

Публикации.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 8

печатных работах, из них 4 публикации в изданиях, которые входят в перечень, рекомендованный ВАК Минобразования России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 125 страниц, включая 71 рисунок, 17 таблиц. Библиографический список содержит 102 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованна актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи, представлена структура работы.

В первой главе выполнена оценка энергетической эффективности существующей системы рекуперативного торможения пригородных электропоездов постоянного тока и намечены пути ее повышения.

В настоящее время у эксплуатируемых отечественных пригородных электропоездов постоянного тока рекуперативное торможение заканчивается при скоростях 45-50 км/ч. Выполненные расчеты для электропоезда ЭД4М составное™ (2(Г+П)+2(М+П)) массой 415т согласно статистическим данным о распределении скоростей торможения Ут представлены на рис. 1. Расширение скоростного диапазона рекуперативного торможения до 5 км/ч, с учетом зависимости количества рекуперированной электроэнергии от скорости (рис. 2) Арек(Ут), позволит сократить расход электроэнергии на движение на 15%.

Решить задачу расширения скоростного диапазона рекуперативного торможения позволяет применение систем импульсного регулирования напряжения.

При этом в зоне скоростей торможения выше 50 км/ч целесообразно сохранить классическое рекуперативное торможение, а при низких скоростях реализовать импульсное рекуперативное торможение.

Рис. 1. Г рафик распределения скоростей начала торможения электропоезда ЭД4М, п - число торможений.

Арек, кВт.я

Рис. 2. Зависимость электропоездов ЭД4М массой 415 т.

На основании анализа отечественных и зарубежных источников было установлено, что отсутствует опыт применения ионисторов в качестве средства повышения энергетической эффективности пригородных электропоездов постоянного тока, поэтому необходимо проведение научных исследований с целью установления и обоснования такой возможности.

Проведенный анализ и сравнение технических характеристик

существующих накопителей электроэнергии позволил рекомендовать использование ионисторов в качестве бортовых накопителей электроэнергии на пригородных электропоездах постоянного тока.

Во второй главе разработана система импульсного регулирования напряжения с емкостным накопителем энергии.

Выполнено сравнение вариантов исполнения емкостного накопителя на различных типах ионисторов, выпускаемых промышленностью. Установлена целесообразность применения ионисторов типа ЗОЭКЗОЗи в накопителе энергии. С учетом ограничений по массогабаритным показателям определена емкость накопителя, которая составила Сен=42 Ф. При этом четыре емкостных накопителя способны принять энергию рекуперации восьмивагонного электропоезда ЭД4М при скорости начала торможения 50 км/ч.

На основании результатов расчета параметров энергоемкости накопителя разработан алгоритм работы силовой схемы электропоезда. Согласно предложенному алгоритму:

- в режиме пуска до скорости выхода на характеристику полного возбуждения, тяговые двигатели получают питание от емкостного накопителя с помощью системы импульсного регулирования напряжения; на более высоких скоростях питание двигателей осуществляется от контактной сети также с помощью системы импульсного регулирования напряжения;

- в режиме рекуперативного торможения до скорости 50 км/ч реализуется классическое рекуперативное торможение, а на более низких скоростях производится импульсное рекуперативное торможение с отдачей энергии на емкостной накопитель.

С целью обеспечения качества переходного процесса при переключении питания тяговых двигателей от емкостного накопителя к

контактной сети разработана система импульсного регулирования напряжения, состоящей из двух импульсных преобразователей ИП1 и ИГО, которые обеспечивают плавное переключение тяговых двигателей с питания от емкостного накопителя энергии в режиме пуска на питание от контактной сети в режиме пуска (рис. 3).

Рис. 3. Схема питания тягового двигателя от импульсных преобразователей (ИП1, ИП2)

Разработанный алгоритм работы импульсных преобразователей исключает броски тока в зоне переключения питания тяговых двигателей в режиме пуска:

1. После достижения преобразователем ИП1 максимального значения коэффициента заполнения кмакс 1 зафиксировать это значение до момента снижения пускового тока 1п.

2. В момент достижения значением пускового тока минимальной величины при которой коэффициент неравномерности по току не будет превышать Кн<0,1, система управления импульсными преобразователями формирует сигнал на запрет работы ИП1 и на разрешение работы ИГО при )лшп2.

При этом установлено, что минимальное значение коэффициента заполнения импульсных преобразователей должно быть не более

где Те - время проводящего состояния импульсных преобразователей;

Т - период импульсов управления импульсных преобразователей (ИП1, ИГО).

Режим плавного переключения источников питания при разгоне проиллюстрирован на скоростных характеристиках на рис. 4.

V, км/ч

Рис. 4. Скоростные характеристики при разгоне В режиме торможения разработанная система импульсного регулирования напряжения используется для отдачи энергии при скоростях торможения до 5 км/ч на емкостной накопитель электроэнергии (рис. 5).

Рис. 5. Упрощенная схема системы импульсного рекуперативного торможения с емкостным накопителем энергии Для обеспечения плавности регулирования в зоне сопряжения режимов классического и импульсного рекуперативного торможения

разработан следующий алгоритм работы системы импульсного регулирования напряжения. Согласно предложенному алгоритму:

1. При достижении током возбуждения 1В=ТВ ыакс начинается уменьшение тормозного тока 1тк, до I

тк МИН’

2. В момент достижения значением тормозного тока величины 1тмш система импульсного регулирования напряжения формирует сигнал на разрешение работы преобразователя ИГО с минимальным коэффициентом заполнения ^,„“0,01. Начинается импульсное рекуперативное торможение с отдачей энергии в контактную сеть.

минимального напряжения емкостного накопителя, дальнейшая отдача энергии рекуперативного торможения осуществляется на емкостной накопитель.

Разработанный алгоритм перехода в режиме торможения иллюстрируется скоростной характеристикой рис. 6.

При достижении напряжения на тяговых двигателях величины

Ут, км/ч

60

50

1в

\

\

■ /

О

X

40

30-

20

10..../

/

/

о

100 200 300 400 1,А

Рис. 6. Скоростные характеристики при торможении, 10

Л-.*- - тормозной ток классической рекуперации;

1РК- ток рекуперации при классическом торможении;

/„- ток возбуждения; 1ТИ - тормозной ток импульсной рекуперации; /,, „ - ток заряда емкостного накопителя.

В третьей главе обоснован способ моделирования переходных процессов на пригородном электропоезде с емкостным накопителем энергии в среде МаНаЬ с применением пакета БтиНпк.

Разработаны имитационные модели для исследования процессов регулирования токов тяговых двигателей при пуске и рекуперативном торможении электропоезда. На рис. 7 представлена имитационная модели моторного вагона электропоезда в режиме пуска, позволяющая получить токовые характеристики.

Рис. 7. Имитационная модель электропоезда для режима пуска Полученные результаты моделирования переходных процессов при переключении питания тяговых двигателей от емкостного накопителя к контактной сети показали, что коэффициент неравномерности тока не превышает 0,1 (рис. 8,9).

Адекватность имитационной модели подтверждена на основании сопоставления параметров, полученных в результате теоретического анализа, экспериментальных исследований с результатами имитационного моделирования. Разница между результатами имитационного моделирования отдельных элементов модели и опытных данных не превышает 10%.

Рис. 8. Зависимость тока и скорости от времени при пуске

Рис. 9. Зависимость тока и скорости от времени при торможении В четвертой главе изложены результаты экспериментальных исследований лабораторного макета системы импульсного регулирования

напряжения с емкостным накопителем.

Цели экспериментальных исследований:

- проверка работоспособности разработанной системы импульсного регулирования напряжения с емкостным накопителем энергии;

- экспериментальная проверка качества переходных процессов при регулировании пускового и тормозного токов;

- сравнение результатов расчетов и имитационного моделирования с опытными данными.

Для решения поставленной задач был разработан лабораторный макет двухканальной системы импульсного регулирования напряжения с емкостным накопителем. Макет включает в себя: два импульсных преобразователя, выполненных на ЮВТ-транзисторах, два механически связанных двигателя, емкостной накопитель, источники питания, датчики тока и напряжения, модуль регистрации параметров. Выходные сигналы с модуля регистрации поступают в персональный компьютер, где обрабатывался программой 81§па1Ехргезз (пакет ЬаЬ\'1Е\У).

На лабораторном макете реализованы:

- режим пуска двигателя последовательного возбуждения с питанием от емкостного накопителя и источника питания, имитирующего контактную сеть.

- режим импульсного рекуперативного торможения на емкостной накопитель при независимом возбуждении двигателя.

В результате исследований системы импульсного регулирования напряжения с емкостным накопителем получены зависимости изменения токов от времени. На рис. 10 представлена осциллограмма изменения токов 1ти(0 и 1ен(1) при торможении электродвигателя.

Рис. 10. Токовая характеристика 1ти(*Х 1са(1)

Обработка полученных зависимостей показала, что при переходных процессах, вызванных переключением двигателя от емкостного накопителя к источнику питания, коэффициент неравномерности тока составил не более 0,1, что доказало хорошую сходимость результатов экспериментальных исследований и имитационного моделирования.

Расчет экономической эффективности применения системы импульсного регулирования напряжения с емкостным накопителем на пригородном электропоезде ЭД4М показал, что при существующем уровне цен на оборудование и электроэнергию, срок окупаемости разработанной системы составляет около 5 лет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проделанной работы сформулированы следующие выводы:

1. Разработана система импульсного регулирования напряжения,

позволяющая осуществить рекуперативное торможение

электропоезда до 5 км/ч с отдачей энергии на бортовой емкостной

накопитель электроэнергии, а при разгоне электропоезда

использовать эту энергию до выхода на характеристику полного

возбуждения. Применение импульсной рекуперации ниже скорости

14

50 км/ч позволит повысить энергетическую эффективность при наличии емкостных накопителей электроэнергии на 15 %.

2. Предложены алгоритмы работы системы импульсного регулирования напряжения, позволяющие осуществить плавное регулирование тока тяговых двигателей при подключении и отключении емкостного накопителя энергии.

3. Определена емкость накопителя энергии для электропоезда ЭД4М, позволяющего запасти электроэнергию рекуперативного торможения за один цикл торможения.

4. Разработана экспериментальная система импульсного регулирования напряжения с емкостным накопителем электроэнергии, позволяющая осуществить физическое моделирование переходных процессов в силовой цепи пригородного электропоезда постоянного тока.

5. Экспериментально подтверждена работоспособность предложенного схемного решения и адекватность имитационных моделей для оценки качества переходных процессов в режимах разгона и торможения.

Основные положения диссертационной работы, опубликованные в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации:

1. Васильев В.А. Имитационная модель устройства тягового привода с емкостным накопителя энергии / Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока, №1, Новосибирск, НГАВТ, 2010 - С. 298-301.

2. Васильев В.А., Сычугов А.Н. Измерение параметров силовых цепей электроподвижного состава / Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока, №2, Новосибирск, НГАВТ, 2010 - С. 343-345.

3. Васильев В.А. Анализ возможности применения емкостных накопителей энергии на электрическом подвижном составе / Известия ПГУПС, №1, Санкт-

15

Петербург, ПГУПС, 2011 - С. 35-44.

4. Васильев В.А. Исследование имитационной модели тягового электропривода с повышающим импульсным регулятором при питании от емкостного накопителя энергии / Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока, №1, Новосибирск, НГАВТ, 2011 - С. 263-265.

Основные положения диссертационной работы, опубликованные в изданиях, не входящих в перечень, рекомендованный ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации:

1. Васильев В. А., Евстафьев А. М. Применение суперконденсаторов на электрическом подвижном составе / Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте. Тезисы докладов на пятом международном симпозиума «ЕПгапв’ 2009». СПб, ПГУПС, 2009 - С. 17.

2. Васильев В. А. Использование емкостного накопителя на электрическом подвижном составе / «Проблемы, решения, инновации транспорта Российской Федерации» Сборник научных трудов. Иркутск, 2010 - С. 49-52.

3. Васильев В. А. Тяговый привод с емкостным накопителем энергии / Сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции "Транспорт-2010" , Сборник трудов, Ростов-на-Дону, 2010, с.291-293.

4. Васильев В. А. Разработка программно-аппаратного комплекса для измерений в силовых цепях электрического подвижного состава / Сборник трудов всероссийской молодежной научно-практической конференции с международным участием "Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке". Хабаровск, ДВГУПС, 2011 — С. 135-139.

Подписано к печати 12.01.12 г. Печ.л. -1,0 п.л.

Печать - ризография Бумага для множит, апп. Формат 60x84 1/16

Тираж 100 чкт Заказ № 12.________________________________________________

СР ПГУПС 190031, С-Петербург, Московский пр. 9