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

005011141

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

- 1 ПАР 2012

Санкт - Петербург 2012

005011141

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

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится «06» марта 2012 г. в «13» час. «30» 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 «06» февраля 2012 г.

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Евстафьев Андрей Михайлович доктор технических наук, доцент,

Официальные оппоненты:

ФГБОУ ВПО ПГУПС, заведующий кафедрой “Электромеханические комплексы и системы”

Никитин Виктор Валерьевич кандидат технических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО НИУ МЭИ, профессор кафедры “Электрический транспорт” Слепцов Михаил Александрович

Ученый секретарь диссертационного совета 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 (ИРЫ) при пуске и рекуперативном торможении.

Опыт работ по проектированию и успешному применению систем

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 Matlab, Lab VIEW.

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 ЗОЭКЗОЗи 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 реіулирования 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 Екгат “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 составности (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. График распределения скоростей начала торможения электропоезда ЭД4М, п - число торможений.

А рек, кВт.ч

Рис. 2. Зависимость АРЖ(кт) 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 30ЭК30311 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 ИП2, 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, ИГО)

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 1макс\ 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 ИП2 при Хмин2.

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

Амин2 = — < 0,01, ^ ^

Т

где Те - время проводящего состояния импульсных преобразователей;

Т - период импульсов управления импульсных преобразователей (ИП1, ИП2).

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=1Е макс начинается уменьшение тормозного тока 1тк, до ^ткмин*

2. В момент достижения значением тормозного тока величины 1тшин система импульсного регулирования напряжения формирует сигнал на разрешение работы преобразователя ИП2 с минимальным коэффициентом заполнения ^¡„=0,01. Начинается импульсное рекуперативное торможение с отдачей энергии в контактную сеть.

3. При достижении напряжения на тяговых двигателях величины минимального напряжения емкостного накопителя, дальнейшая отдача энергии рекуперативного торможения осуществляется на емкостной накопитель.

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

Рис. 6. Скоростные характеристики при торможении,

1ТЖ - тормозной ток классической рекуперации;

1,, к- ток рекуперации при классическом торможении;

1В- ток возбуждения; I,,,- тормозной ток импульсной рекуперации;

1К и - 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 8ти1шк.

Разработаны имитационные модели для исследования процессов регулирования токов тяговых двигателей при пуске и рекуперативном торможении электропоезда. На рис. 7 представлена имитационная модель 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

І, А V, км/ч

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 поставленных 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 SignalExpress (пакет Lab VIEW).

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 i™(t) и Ien(t) при торможении электродвигателя.

I» А

Рис. 10. Токовая характеристика 1ти(0> 1ен№

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 электротяговых 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 накопителем 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-

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. 263-266.

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 «El’trans’ 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 01.02.12 г. Г1еч.л. -1,0 пл.

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

Типаж 100 экз. Заказ № 12. _______________________________________________

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