автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии в энергоустановках железнодорожного транспорта



НОСКОВ Владимир Николаевич

СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЕ ИНДУКТИВНЫЕ НАКОПИТЕЛИ ЭНЕРГИИ В ЭНЕРГОУСТАНОВКАХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

05.22.07 - «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук ;

Ростов-на-Дону - 2010

004618780

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (РГУПС)

Научный руководитель: академик РАН, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ КОЛЕСНИКОВ Владимир Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ПЕТРУШИН Александр Дмитриевич; кандидат технических наук, доцент ШЕВЛЮГИН Максим Валерьевич

Ведущая организация: государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ПГУПС)

Защита состоится «29» декабря 2010 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.010.01 Ростовского государственного университета путей сообщения (РГУПС) по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУПС.

Автореферат разослан «£ 6 » ноября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 218.010.01, доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Широкомасштабное использование энерго- и ресурсосберегающих технологий и устройств является составной частью энергетической стратегии России до 2020 г. и государственной политики, направленной на устойчивое развитие хозяйственного комплекса нашей страны. В «Энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до 2010 года и перспективу до 2020 года» (утверждена распоряжением ОАО «РЖД» от 11.02.2008 г. № 269р) отмечено, что «Электрифицированные железные дороги испытывают потребность в мощных накопителях электроэнергии для устойчивой реализации режимов рекуперации энергии подвижным составом, сглаживания суточной неравномерности потребления энергии, что, в конечном итоге, связано с экономией энергии на тягу поездов от 10-12 % (грузовое движение) до 15-30 % (пригородное движение)». Одной из приоритетных задач железнодорожного транспорта в вопросах энергосбережения согласно «Стратегическим направлениям научно-технического развития ОАО «РЖД» на период до 2015 г.» (утверждены Президентом ОАО «РЖД» 31.08.2007 № 964) является «широкое использование энергоемких накопителей энергии в основных технологических процессах энергопотребления и генерации энергии», а также «использование достижений в области сверхпроводимости».

В полной мере эти задачи могут быть реализованы путем разработки и создания сверхпроводннковых индуктивных накопителей энергии (СПИН), в которых сосредоточены новейшие достижения физики, химии, материаловедения, электротехники и преобразовательной техники. По сравнению с большинством других типов накопителей энергии, принципиально пригодных для эксплуатации в настоящее время, СПИН обладает целым рядом преимуществ. Использование СПИН в транспортных системах электроснабжения (как стационарных, так и автономных) уже в обозримом будущем позволит повысить надёжность и эффективность их работы, улучшить качество электроэнергии, приблизить режимы работы энергосистем к установившимся (за счёт демпфирования пиков и провалов энергопотребления), снизить потери электроэнергии.

Работы по СПИН ведутся практически во всех развитых странах мира, где особое внимание уделяется их использованию для бесперебойного электроснабжения ответственных объектов. В мировой практике существуют проекты использования СПИН как в составе электрических передач мощности автономных локомотивов, так и на подстанциях систем тягового электроснабжения железных дорог.

Для реализации этих масштабных проектов требуется решить ряд задач, в числе которых находится создание методологии синтеза систем электроснабжения со СПИН транспортного назначения и обоснование эффективных сфер их применения.

Возросшее количество проектов по использованию СПИН в системах энергоснабжения подтверждает актуальность данного исследования.

Цель работы состоит в научном обосновании путей повышения эффективности работы энергоустановок железнодорожного транспорта за счёт расширения области применения СПИН транспортного назначения, определении технологических процессов для использования СПИН, разработке метода расчета требуемой энергоёмкости накопителя, совершенствовании конструкции сверхпроводниковых (СП) магнитов, разработке алгоритмов функционирования и схемных решений.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

- выполнен аналитический обзор научно-технических достижений в области создания и использования накопителей энергии на транспорте;

- определены направления наиболее актуальных теоретических и экспериментальных исследований СПИН транспортного назначения;

- составлены математические модели электроэнергетических установок, содержащих в своём составе СПИН;

- разработаны методики определения необходимой энергоёмкости СПИН;

- разработаны схемы электрического сопряжения СПИН с существующими на железнодорожном транспорте электроэнергетическими установками;

- разработаны технические решения в части конструкции СПИН транспортного назначения;

- оценена достоверность теоретических положений при помощи математического и физического моделирования;

- созданы методики синтеза электроэнергетических установок, содержащих в своём составе СПИН, отвечающих нуждам железнодорожного транспорта;

- определена технико-экономическая эффективность использования СПИН в технологических процессах железнодорожного транспорта;

- изготовлен и внедрен экспериментальный образец СПИН.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием математических методов (интегральное и дифференциальное исчисление, математическая статистика), теории электротехники, теории автоматического управления, методов анализа и синтеза с использованием структурных схем, метода передаточных функций, методов экономического анализа, экспертных методов. Экспериментальные исследования проводились на физических моделях, а также в виде компьютерного моделирования и вариантных расчетов (при поддержке их математической средой МаШсас!).

Научная новизна работы заключается в:

- методиках определения необходимой энергоёмкости СПИН, основанной на анализе режимов работы тепловоза или тяговой подстанции;

- создании новых схем электрического сопряжения СПИН с существующими на железнодорожном транспорте электроэнергетическими установками;

- разработке технических решений по конструкции СПИН транспортного назначения;

- создании математических моделей электроэнергетических установок, содержащих в своём составе СПИН;

- результатах натурных экспериментальных исследований физических моделей электроэнергетических установок со СПИН транспортного назначения.

Практическая ценность работы. Применение разработанных схем по сопряжению СПИН с электроэнергетическими системами в сочетании с решениями по их конструкции позволит добиться сокращения расходов железнодорожного транспорта на электроэнергию, повысить надёжность и качество электроснабжения. Например, расчетный годовой экономический эффект (в ценах

2007 года) от применения СПИН на тяговых подстанциях переменного тока составляет 4,643 млн. руб.

Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы в ОАО «РЖД» при разработке технических предложений и требований к СПИН бортового и стационарного исполнения, при изготовлении и в ходе испытаний макетного и экспериментального образцов СПИН транспортного назначения для систем автономного (СПИН-тепловоз) и стационарного (подстанция) тягового электроснабжения, при разработке и внедрении аванпро-екта СПИН в системах электроснабжения потребителей ОАО «РЖД», а также в учебном процессе РГУПС.

Достоверность полученных результатов работы подтверждается корректностью использования математического аппарата; удовлетворительным совпадением расчётных и экспериментальных характеристик, полученных при математическом и физическом моделировании, для проверки полученных теоретических положений.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на: Технико-экономическом совете Главного управления локомотивного хозяйства МПС России 27.05.1993г.; заседаниях топливно-теплотехнической секции Научно-технического совета МПС России от 22.04.1994г. и от 31.05.2000г. (протокол Х° б); 59-й вузовской научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава «Транспорт-2000» (апрель 2000 г., РГУПС, г. Ростов-на-Дону); Четвёртом международном симпозиуме «Электрификация и организация скоростных и тяжеловесных коридоров на железнодорожном транспорте» (25 октября 2007 г., ПГУПС, г. Санкт-Петербург); Первой международной конференции «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (2-3 апреля 2008 г., Экспериментальное кольцо ОАО «РЖД», г. Щербинка); Пятой Международной научно-практической конференции «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте» (13-15 октября 2010 г., г. Ростов-на-Дону); совместном заседании кафедр «Автоматизированные системы электроснабжения», «Локомотивы и локомотивное хозяйство» и «Электрический подвижной состав» РГУПС.

Публикации. По результатам выполненных исследований и материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 3 патента.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, перечислены основные результаты, выносимые на защиту, определена их научная новизна и практическая значимость.

В первой главе выполнен анализ научно-технических достижений в области использования СПИН на железнодорожном транспорте и рассмотрены возможные решения проблемы применения СПИН на тяговом подвижном составе и в системах тягового электроснабжения. Отмечается, что проблемой использования накопителей энергии (НЭ), в том числе СПИН, на железнодорожном транспорте, занимаются учёные МГУПС, ВНИИЖТ, РГУПС, ПГУПС, Радом-ского политехнического института (Польша). Ведущими организациями по разработке СПИН различного назначения в России являются РНЦ «Курчатовский институт» и ФГУП ГНЦ РФ «ТРИНИТИ» (г. Троицк). Однако наблюдается недостаток работ, рассматривающих вопросы синтеза систем электроснабжения со СПИН транспортного назначения.

По результатам анализа определены области применения накопителей энергии в энергоустановках железнодорожного транспорта. Принципиальное назначение НЭ в этих энергоустановках, как стационарных (установленных на подстанциях), так и автономных (расположенных на борту локомотивов с электрической передачей мощности), - быть демпфирующими элементами между генерирующими агрегатами и потребителями, работающими в нестационарных режимах.

СПИН предлагается использовать на борту автономных локомотивов (тепловозов, газотурбовозов) для снижения установленной мощности энергоустановки и обеспечения рекуперации, повышения экологических параметров автономной тяги; на тяговых подстанциях (I'll) - с целью выравнивания графика потребления электроэнергии из энергосистемы и обеспечения рекуперации электроподвижным составом; в системах связи, автоматики, телемеханики и

обработки информации - как дополнительный источник бесперебойного питания и кондиционирования электрической энергии для ответственных потребителей.

Сформулированы технические требования к СПИН транспортного назначения. В частности, предложено использовать разновидность тороидальной обмотки сверхпроводникового (СП) магнита без магнитного поля рассеяния с однородной плотностью накапливаемой энергии, отвечающую требованиям места расположения и технологичности изготовления.

Вторая глава посвящена методике определения требуемой энергоёмкости СПИН транспортного назначения. Методика определения необходимой энергоёмкости СПИН для маневровых тепловозов получена на основе данных исследований типовых режимов их работы (манёвры толчками, грузовой двор, пассажирская станция, горка, вытяжка), которые представляют последовательность перехода с позиции на позицию дизеля маневрового тепловоза за 1 час работы.

Приняв, что назначением бортового СПИН является обеспечение работы дизель-генераторной установки (или установки с другим первичным тепловым двигателем) в неизменном режиме (т.е. с постоянной среднеэхсплуатационной мощностью, вырабатываемой генератором), то в случае необходимости часть мощности на тягу, сверх вырабатываемой генератором, берётся из СПИН. Заряд СПИН может осуществляться предварительно (до поездки), во время движения (если на тягу необходима мощность, меньшая вырабатываемой генератором), а также при торможениях - от тяговых электродвигателей (ТЭД), работающих в генераторном режиме.

На основе принятых допущений разработана математическая модель энергосиловой установки (ЭСУ) маневрового тепловоза со СПИН, описанная системой уравнений (1), и при рассмотрении в первом приближении режимов работы данной ЭСУ как квазистатических, реализована автором в виде алгоритма и программы расчёта БРШОТЕР.

По результатам проведения вариантных расчётов, в которых задавались различные значения мощности генератора (при максимальных токах и напряжениях), тока начального заряда СПИН, темпа нарастания тока СПИН, а также максимальных токов обмоток якоря и возбуждения ТЭД, были опре-

делены сочетания перечисленных величин, обеспечивающие полную реализацию типовых режимов маневровой работы с условием их цикличной повторяемости (подтверждение - токи СПИН в начале и конце режима различаются менее, чем на 10 %).

ем =се"мфм> где гм ■ ток якоря ТЭД, А;

Мв=С^шФи-вычисляемый; 1аа - ток якоря генератора, А;

М3 заданный, 1м"ток возбуждения ТЭД, А;

д Пм - частота вращения ротора ТЭД, об/мин;

"о =■%/ +'омгм +4м_Т£-) -двигатель] иа - напряжение генератора, В;

е„-ЭДС ТЭД, В;

гаМ"актив' сопротивление обмотки якоря ТЭД, Ом; Се, Си - постоянные ТЭД,

причём Се = рЯ{й0а)\ Си=Се!2л\ ¡с - ток СПИН, А; Ьс- индуктивность СПИН, Гн; Рю - электрическая мощность генератора, Вт; Фм - магнитный поток ТЭД , Вб; Рш - суммарная эл. мощность ТЭД тепловоза, Вт; М- электромагнитный момент одного ТЭД, Н.М; №с- энергия, запасённая в СПИН, Дж; ЬаМ - индуктивность обмотки якоря ТЭД.

Алгоритм расчёта необходимой энергоёмкости СПИН для тепловоза был сформулирован следующим образом. Для заданного режима работы длительностью [о,/], для которого известна зависимость Р1М(г), при выбранном значении мощности генератора PlQ const, планируемого к установке на СПИН-тепловозе для работы с постоянной мощностью, требуется определить начальный заряд (энергоёмкость) W™4 бортового СПИН на момент времени t0, достаточный для реализации заданного режима работы. При этом учитывается, что некоторые типовые режимы работы для маневрового тепловоза требуют последовательной реализации нескольких аналогичных, но не тождественных циклов чередования тяга и торможения.

Для определения , а также знания достаточной величины энергоёмкости СПИН в любой момент времени при реализации требуемого режима следует, задавшись значением энергоёмкости СПИН на конец выбранного режима работы СПИН-теиловоза W^, например W^ = 0, проводить интегрирование площадей, ограниченных графиками Р1М(?) и Рю const от конца временного интервала t к его началу t0.

Иa =%f -Wm - ku -+ТЭД- генератор;

иа=3(ге„ +iMrM ->противовкточ

at

Км f (^'м

Pim=2uII-W> с 2

(1)

Причём площади криволинеиных трапеции, лежащих выше /рС0П5£, вычитать из Я7"^, а площади криволинейных трапеций, лежащих ниже Р10 сопз(, складывать с ^шш • В ходе такого интегрирования и суммирования можно определить в каждый момент времени величину энергоёмкости СПИН, а также расчётное значение начальной энергоёмкости СПИН ^""«спш • При этом, если минимальная рассчитанная энергоёмкость СПИН в ходе реализации выбранного режима будет й^испщ, < РГи0, то требуется коррекция на ДИгмо - величину расхождения (Г™« и Гмо.

Примерь! расчётов графиков изменения энергоёмкости бортового СПИН маневрового тепловоза по данной методике показаны на рис. 1.

I »;

I „'

— "......~т 1 - /

7\/ 1 *» —7<

I!-^ К . □мне

--] -А

т ч/- ¿л

1 I V—

Рис. 1. Расчётные графики изменения энергоёмкости бортового СПИН маневрового тепловоза (ДЛЯ ^стмн=Ю0 МДж и Р1асош,= 400 кВт) при реализации типовых режимов работы:

а) «грузовой двор»,

б) «манёвры толчком»,

в) «вытяжка из парка в парк»

1

1 1 мртипи V

X «л»3'

1

з

} "

Данные расчёта энергоёмкости СПИН по предлагаемой методике и мощности дизель-генератора для работы в неизменном режиме для базового тепловоза ТЭМ2

хорошо согласуются с оценками отечественных и зарубежных специалистов для маневрового тепловоза и дизель-поезда близкой мощности.

Достаточную энергоёмкость СПИН, устанавливаемого на ТП, предлагается определять по выражению (2), отражающему неопределенность во времени порядка чередования максимумов и минимумов энергопотребления в системе тягового электроснабжения:

"СПИН "М0т"СПИЦ>асч "МОт"> т" 3 >

где 1¥рах - максимальное количество энергии, которое необходимо отдать СПИН за цикл монотонного разряда;

Ж™1* — максимальное количество энергии, которое необходимо накопить (принять) СПИН за цикл монотонного заряда;

1¥мо - «мёртвый» объём или минимальное количество энергии, сохраняющееся в СПИН при самом глубоком разряде, который может быть во время эксплуатации (обычно 10-15 % от расчётной энергоёмкости СПИН); ^спицжч - расчётная энергоёмкость СПИН.

При выводе выражения (2) были использованы следующие посылки. Энергию, без учета потерь, циркулирующую за рассматриваемый интервал времени в накопителе энергии и электроподвижном составе, можно представить выражением:

Р^=]Р„(.Т)С1т-)Рт(Т)<1Т+)Р3{^Т-)Рт(Т)С1Г, (3)

0 0 0 0

где [о, (] - рассматриваемый интервал времени;

Рс - постоянная мощность, потребляемая от трансформатора; Рп (г) - мощность, потребляемая электроподвижным составом; Рг(т) - мощность рекуперации (при ее наличии); Р3(г) - мощность, накапливаемая в СПИН при заряде; Рр(т) - мощность, отдаваемая СПИН при разряде.

I I

Полагая, что $Р3(т)с1тв §Р,,(т)с1т, то при отсутствии рекуперации постоян-

0 о

ная мощность, потребляемая от трансформатора:

На графике активного тока ТП, который можно рассматривать как график изменения активной мощности (принимая неизменным напряжение на шинах), площади всех участков, лежащих выше уровня Рс = const, соответствуют энергии, отдаваемой накопителем:

а площади участков, лежащих ниже уровня Рс= const, соответствуют энергии, потребляемой накопителем

где [/г, - интервалы времени заряда или разряда в пределах [о,/].

• Для определения энергоемкости СПИН необходимо построить график изменения его энергии относительно некоторого начального значения энергии 1¥а, аккумулированной (запасенной) в СПИН до начала работы, в соответствии с полученным и обработанным графиком нагрузки тяговой подстанции (рис. 2). Следует задаться требуемым 1рафиком потребления активной мощности ТП от энергосистемы Рс((), при этом возможны следующие варианты: 1) его ступенчатый график 3 строится с условием не превышения выбранной величины (в данном случае 100 ГДЖ, график 4), 2) на всем интервале Рс (Г) =сопз1 (график 5 и соответствующий ему график - 6), 3) ступени графика Рс(/) равны среднему значению мощности ТП за конкретный отрезок времени (например, сутки) (график 7 и соответствующий ему график 8 для й^ин )•

Выражение (2) позволяет рассчитывать с удовлетворительной точностью достаточную энергоёмкость СПИН для полученного семейства графиков ^сшт (0 по любому из них. Расчёты показали, что при условии выполнения всех заявленных функций СПИН для ТП постоянного тока в зависимости от профиля пути достаточная энергоёмкость СПИН лежит в пределах 4000-20000 МДж

(5)

(6)

(1,11-5,55 МВт.ч), а переменного тока - 20000-80000 МДж (5,55-22,22 МВт.ч) на подстанцшо при соответствующем прогнозировании электропотребления.

1 - данные измерений мощности на ТП «Восточная» за 10 дней.

2 - обработанные данные измерений мощности как скользящее среднее с параметром 10

3,5,7-Л (О

4,6,8 - V/

Рис. 2. График потребления активной мощности ТП «Восточная» СКЖД и варианты графиков изменения запаса энергии в СПИН

В третьей главе рассмотрены схемные решения для использования СПИН в системах автономного и тягового электроснабжения на основе преобразователей постоянного напряжения, включающие функции устройства инвертирующего типа.

Один из вариантов предложенного и запатентованного автором преобразователя представлен на рис. 3, где обозначено: 1-1.....1-п—рабочие управляемых вешили, напримф, зашфаемые тиристоры, 2-1,...,2-п - секции обмотки СПИН, 3-1,...,3-п основные вентили, например, полупроводниковые диоды, 4-1,...,4-п - обратные управляемые вентили, 5 - источник постоянного напряжения, 6 - нагрузка, 7-1,...,7-п-шунтарук>щие вентили, 8-1,...,8-п-входные управляемые вентили, 91,.. .,9-п - дополнительные обратные управляемые вентили, 10 - разрядный управляемый вентиль, 11 - сопротивление. Данная схема учитывает возможность секционирования обмотки СПИН (направления токов в секциях показано стрелками).

Алгоритм функционирования этого преобразователя (рис. 3), например, для режима дополнительного накопления избыточной энергии нагрузки 6 в одной (/-той) секции обмотки СПИН 2-г, выглядит следующим образом. Одно-

временно включаются дополнительный обратный управляемый вентиль 9-г и рабочий управляемый вентиль 1-/, при этом выключается входной управляемый вентиль 8-г. Ток от нагрузки 6, работающей в генераторном режиме, протекает через дополнительный обратный вентиль 9-/, через индуктивный накопительный элемент 2-/ и соответствующий включенный рабочий управляемый вентиль 1-1. Все включенные обратные вентили 4-/ при этом выключаются. После окончания процесса накопления энергии напряжение между выходными выводами снижается до нуля и обратный управляемый вентиль 4-/ включается, переводя индуктивный накопительный элемент 24 в режим сохранения энергии, а рабочий управляемый вентиль 1-г выключается.

8*, .

¿-х ¿\

<-2 441

-КВч.. -ь^.

2-1 АЛ /1

2-2-г-п

\ > 7 . "Ф;

-/ 'V "V '

•¿и?

-ее

■5 7«

Уг

Рис. 3. Схема электрическая принципиальная силовой части преобразователя постоянного напряжения для связи СПИН с системой электроснабжения постоянного тока

(разработана автором)

Сочетания включённых и выключенных управляемых ключей (табл. 1) преобразователя обеспечивают возможные режимы его функционирования.

Таблица 1

№ режима Наименование режима Состояние управляемых ключей (обозначения - по рис. 3)

1 4 8 9 10

1 Заряд СПИН от сети 1 0 1 0 0

2 Разряд СПИН на нагрузку 0 0 0 0 0

3 Хранение тока в СПИН, с частичной отдачей энергии в нагрузку 0 1 0 0 0

4 Заряд СПИН только от рекуперирующей нагрузки (сеть отключена) 1 0 0 1 0

5 Одновременный заряд СПИН от рекуперирующей нагрузки и от сети 1 0 1 1 0

6 Аварийный вывод энергии на балластное сопротивление 0 0 0 0 1

Сформулированные требования к СПИН для железнодорожного транспорта послужили основой для разработки технических решений в части конструкции СП-магнита и системы его криогенного обеспечения. В качестве прототипа бортового СПИН была выбрана тороидальная магнитная система с В-образной формой витка и вытянутой конфигурацией обмотки в виде цилиндра длиной, равной максимальному размеру выделенного в габарите тепловоза объема, и диаметром, равным минимальному размеру этого объема (рис. 4).

'! Г* ■■ " 1 н™

Отличительными особенностями и достоинствами предложенной конструкции являются: однородная плотность запасаемой энергии в объеме СП-магнита; практическое отсутствие магнитных полей рассеяния (на расстоянии 0,3 м от внешней оболочки криостата величина индукции магнитного поля не превышает 0,01 Тл); высокая технологичность изготовления обмотки (в виде сборки галет из фольгированных стеклотекстолитовых листов, с приклеенными к ним витками); равномерное перераспределение механических напряжений по сечению магнита (что практически устраняет возможность скачкообразного движения витков под действием пондеромоторных сил, снижает вероятность тренинга, повышает устойчивость и надежность работы магнита); простота и экономичность косвенного способа охлаждения (в отличие от погружного и циркуляционного); обеспечение защиты в аварийных ситуациях без использования разрядного сопротивления (путем форсированного перевода обмотки в нормальное состояние с помощью системы нагревателей). Рассчитаны основные технические характеристики перспективных СПИН для размещения на борту тепловозов (табл. 2).

Г

поперечное сечение

план

Рис. 4. Конструкция СПИН энергоемкостью 100 МДж (разработана с участием автора)

Таблица 2

Основные технические характеристики перспективных СПИН

бортового исполнения (для тепловозов и газотурбовозов)_

Тип тепловоза

Параметр Ед. изм. Маневровый Магистральный, в габаритах

одной 8-осного

секции вагона

Энергоемкость МДж 50 100 200 410 1000

Масса полная (СПИН в сборе) т 16,6 28,8 48,9 108,0 103,9

Габариты криостата: -длина м 3,5 9,2 9,0 15,4 8,3

-внешний диаметр 1,6 1,6 1,6 1,6 2,9

Максимальная индукция магнитного поля Тл 7,0 4,9 7,0 7,0 7,3

Материал сверхпроводника - 1ЧЬ-Тх ЫЬ-'П №>-Т1 №>38п

Ток кА 3,0 1,0 3,0 3,0 7,0

Суммарная мощность криогенных потерь Вт 18,5 35,5 50 75 288,7

Данные технические решения получили свое развитие в конструкции СПИН для стационарного использования, СП-магнит которых представляет собой тороидальную распределенную обмотку, состоящую из нескольких идентичных клиновидных секций (рис. 5).

Ш^й- Рис. 5. Магнитная система стационарного СПИН (для ТП) тороидальной конструкции с равномерным распределением энергии в объёме: А - общий вид; Б и В - форма и поперечное сечение одного сектора (разработанный и изготовленный с участием автора экспериментальный образец СПИН имеет форму такого сектора)

Результаты расчетов основных технических характеристик перспективных СПИН стационарного исполнения представлены в таблице 3. Эта конструкция обеспечивает постоянство модуля индукции магнитного поля внутри тороидальной обмотки с точностью порядка 1 %, а рассеянное поле на расстоянии 0,5 м от обмотки не отличается от естественного магнитного поля Земли. Достоинствами данных конструкций СПИН являются также их высокая заводская го-

товносхь и возможность вписывания (при транспортировке) в железнодорожные габариты.

Таблица 3

Основные технические характеристики перспективных СПИН

Параметр Ед. измер. Значение

Система электроснабжения - тяговая | нетяговая

Тип обмотки Тороид с распределенной обмоткой

Энергоемкость кВт«ч (МДж) 1000 (3600) 27,7 (100)

Максимальная мощность МВт 300 8,3

Число секторов тороида штук 48 12

Внешний диаметр обмотки (при номинальном поле 5 Тл) м 6 2,1

Высота обмотки м 6 1,2

Диаметр криостата м 7,5 2,6

Высота криостата м 10 2,6

«Холодная» масса обмотки т 250 4,3

В четвертой главе рассматривается экспериментальное исследование физической модели ЭСУ тепловоза со СПИН, принципиальная схема которой показана на рис. 6, а также результаты испытаний экспериментального образца СПИН энергоемкость 1,5 МДж для стационарного применения.

Для создания модели ЭСУ тепловоза со СПИН было использовано следующее основное, вспомогательное и измерительное оборудование:

1) мотор-генератор (моделирующий дизель-генераторную установку) -генератор постоянного тока (Г1) типа НД-5000/10000 с приводным асинхронным двигателем (АД1) типа АК-104-10;

2) СП-магнитная система в крностате, моделирующая СПИН максимальной энергоемкостью 1000 кДж;

3) электродвигатель (ТД) типа НД-750/1500 (условно называемый «тяговым») - моделирует работу тягового двигателя;

4) нагружающее устройство, состоящее из электродвигателя (ДТ) типа НД-500/250 (работающего в режиме торможения противовключением), который питается от вспомогательного генератора постоянного тока (Г2) типа АНД-750/1500 с приводным асинхронным двигателем (АД2) типа А201-4;

5) реверсора, состоящего из группы контакторов (К1 и К2), обеспечивающих протекание тока в СПИН в одном направлении при любом режиме его работы (размыкание одной группы контакторов производится только после замыкания другой группы);

6) система криообеспечения (на рис. 6 не показана);

7) автоматизированная система контроля, измерения и управления (АСКИУ) работой стенда, выполненная на основе интерфейсов в стандарте «КАМАК» и двух ПВМ (на рис. 6 не показана);

8) система электропитания (на рис. 6 не показана) АД (трехфазная) и независимых обмоток возбуждения (ОВ) всех машин постоянного тока;

9) аварийной балластное сопротивление (11Б), измерительные шунты (ШИ и ШС), а также сильноточные ключи (В1, В2 и КЗ).

ю тд дт

л.

Г2 АД2

н. >_- I м ...

ппш

Рис. 6. Принципиальная схема физической модели энергосиловой установки тепловоза со СПИН

Результаты экспериментов на физической модели тепловоза со СПИН

(некоторые данные - на рис. 7 и 8) хорошо коррелируют с данными расчетов.

Рис. 7. Изменение мощности СПИН (Рспш) и его тока (/сп) при реализации типового режима работы «маневры I толчком» на фи-ё зической модели ЭСУ тепловоза со СПИН

100 150 200 250

Время, сек

Рис. 8. Изменение мощности СПИН (Рсп1) и оборотов ТЭД (п) при реализации типового режима работы «вытяжка из парка в парк» на физической модели ЭСУ тепловоза со СПИН

В приложении приведены технико-экономические оценки использования СПИН на железнодорожном транспорте (тяговой подстанции и ответственного нетягового потребителя, а также тепловозов). Оценки выполнены в соответствии с методические рекомендации по определению экономической эффективности мероприятий научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте.

Например, рассчитано, что срок окупаемости капитальных затрат (в текущих ценах на сверхпроводники и криогенную технику) от внедрения СПИН на ТП составит около 10 лет. В случае использования СПИН для защиты электроприёмников группы А 1-й категории срок окупаемости капитальных затрат от внедрения СПИН на ДЦУП составит 5,2 года. Применение СПИН на тепловозах позволяет получить (по оценкам) годовую экономию топлива для маневрового тепловоза 30-35 % и для магистрального тепловоза 8-12 %; уменьшить установленную мощность дизель-генератора маневрового тепловоза и дизель-поезда по сравнению с базовой моделью в 2... 3 раза.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Сформулированы основные функции СПИН в системах тягового электроснабжения, заключающиеся в способности выравнивания графика потребления электроэнергии из энергосистемы и обеспечении рекуперации энергии электроподвижным составом в накопитель, установленный на тяговой подстанции. Аналитическим путем получены соотношения, позволяющие рассчитывать энергоемкость СПИН, и разработаны технические требования к СПИН транспортного назначения.

2. Анализ режимов работы СПИН в составе энергоустановок тепловоза и тягового электроснабжения позволил предложить схемы его сопряжения с ЭСУ тепловоза или тяговой электрической сетью на основе преобразователя постоянного тока, защищенные патентом на изобретение.

3. Предложено, что важнейшей функцией СПИН, размещенного на тепловозе с электрической передачей, является выравнивание режима работы дизель-генераторного агрегата, причем заряд СПИН может осуществляться как предварительно до начала движения, так и при движении локомотива. Это позволяет повысить экономическую эффективность железнодорожных перевозок на тепловозной тяге.

4. В результате выполненных исследований разработана методика расчета требуемой энергоемкости СПИН для объектов железнодорожного транспорта. Выполнен расчет энергоемкости СПИН для маневрового тепловоза и тяговой электроподстанции.

5. Исследования позволили создать математическую модель электрической передачи мощности постоянно-постоянного тока автономного локомотива, оснащенной СПИН, для анализа процессов в ней, учитывающую взаимосвязи между токами якорей тяговых электродвигателей и генератора тепловоза, а также типовые режимы работы маневрового локомотива.

6. Физическое моделирование и экспериментальные исследования энергосиловой установки маневрового тепловоза с электропередачей и СПИН подтвердили результаты теоретических исследований.

7. Разработан, изготовлен и испытан экспериментальный образец СПИН для систем тягового энергоснабжения с энергоёмкостью 1,5 МДж (0,42 кВт«ч), рабочим током до 10 кА при напряжении до 5 кВ (рис. 5, Б и В). Результаты экспериментальных испытаний при криогенных температурах совпали с данными расчетов с достаточной степенью точности (расхождение не более 5%).

8. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования, инженерные и технико-экономические расчеты свидетельствуют об эффективности применения СПИН на тепловозах с электрической передачей, тяговых подстанциях и ответственных тяговых железнодорожных потребителях электроэнергии.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

I. Статьи в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Лутидзе Ш.И. Экспериментальная модель трехфазного криотронного преобразователя на 50 Гц./ Ш.И. Лутидзе, В.Е. Игнатов, И.В. Карлаш, В.Н. Носков //Электричество, 1990. - № 4. - С. 55-58.

2. Носков В.Н., Пустоветов М.Ю., Чирков В.К. Об энергоёмкости накопителей энергии для стационарного размещения на тяговых подстанциях / В.Н. Носков, М.Ю. Пустоветов, В.К Чирков // Вестник РГУПС, 2008. - №1 - С. 120127.

3. Носков В.Н. К вопросу использования сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии в железнодорожной тяге / В.Н. Носков // Вестник РГУПС, 2008. —№3 - С. 54-59.

4. Носков В.Н.. Об энергоёмкости накопителя энергии для тепловоза / В.Н. Носков, М.Ю. Пустоветов // Вестник ВНИИЖТ, 2008. - № 5 - С. 42-44.

5. Носков В.Н. Силовой статический преобразователь для использования в составе электрической передачи мощности тепловоза со сверхпроводниковым индуктивным накопителем энергии / В.Н. Носков // Вестник РГУПС, 2008. -№4-С. 41-47.

II. Статьи и доклады:

6. Быкадоров А.Л. Обеспечение безопасности при. использовании сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии в системе тягового электроснабжения./ А.Л. Быкадоров, Т.А. Заруцкая, В.Н. Носков-л др. // Труды 59-й вузовской научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава «Транспорт-2000». - Ростов н/Д: РГУПС, 2000. - С. 129.

7. Пустоветов MJO. О характеристиках сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии (СПИН) для стационарного размещения на тяговых подстанциях /М.Ю. Пустоветов, В.Н. Носков // Материалы 4-го международного симпозиума Eltransl007 «Электрификация и организация скоростных и тяжеловесных коридоров на железнодорожном транспорте». - СПб: ПГУПС, 2007. - С. 82.

8. Пустоветов М.Ю. Об энергоёмкости накопителя энергии для размещения на борту маневрового тепловоза /ВЦ Носков, М.Ю. Пустоветов // Инноваци-

онные технологии и процессы производства в машиностроении: Междунар. сб. науч. тр. - Ростов н/Д: Рост. гос. акад. с.-х. машиностроения, 2008. - С. 83-87.

9. Носков В.Н. Перспективное использование сверхпроводниковых индуктивных накопителей (СПИН) для усиления системы тягового электроснабжения постоянного тока / В.Н. Носков, М.Ю. Пустоветов // Труды Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса-, образование, наука, производство», октябрь 2009 г. - Рост. гос. ун-т. путей сообщения. Ростов н/Д, 2009. - С. 371-372.

10. Колесников В.И. Использование СПИН в системах электроснабжения устройств ЖАТ / В.И. Колесников, В.Н. Носков // Сборник докладов Пятой Международной научно-практической конференции «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте», октябрь 2010 г. - Рост. гос. ун-т. путей сообщения. Ростов н/Д 2010.-С. 174-176.

III. Патенты

10. Патент № 2007305 РФ. Силовая установка транспортного средства. МПК С1 5 В 60 L 11/06 / В.Н. Носков, В.Д. Карминский, К.Б. Комиссаров / Заявлено 27.06.1991 г.; опубликовано 15.02.1994 г. Бюл. № 3.

11. Патент № 2060187 РФ. Электромагнитный ускоритель-замедлитель вагонов. МПК С1 6 В 61 К 7/12 / В.Н. Носков, В.Д. Карминский, В.Н. Иванченко/ Заявлено 24.10.1990; опубликовано 20.05.1996 г. Бюл. № 14.

12. Патент № 2370875 РФ. Преобразователь постоянного напряжения. МПК Н 02 М 3/135 / Е.Ю. Клименко, В.ННосков, А.Е. Полганов, Е.П. Полулях, М.Ю. Пустоветов, В.Н. Рындин, Н.С ФлегонтовУ Заявлено 17.04.2008; опубликовано 20.10.2009г.

VI. Учебные пособия

13. Курочка А.Л. Использование сверхпроводимости в электрических устройствах железнодорожного транспорта: Учеб. Пособие. / А.Л. Курочка, И.В. Карлаш, В.Н. Носков / Ростов н/Д, РИИЖТ, 1988. - 28 с.

Автор выражает благодарность к.т.н., доценту Пустоветову М.Ю. за консультации и помощь при выполнении диссертационной работы.

Носков Владимир Николаевич

Сверхпроводниковыс индуктивные накопители энергии в энергоустановках железнодорожного транспорта

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 26.11.2010 г. .Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ № 5Ъ29.

Ростовский государственный университет путей сообщения _Ризография РГУПС_

Адрес университета: 344038, Ростов-на-Дону, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения, 2

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ.

1.1. Аналитический обзор научно-технических достижений в области создания и использования накопителей энергии на железнодорожном транспорте.

1.1.1. Инерционные (маховичные) накопители энергии.

1.1.2. Ёмкостные накопители энергии.

1.1.3. Сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии.

1.1.4. Сравнительные характеристики различных типов накопителей энергии.

1.2. Области применения СПИН на железнодорожном транспорте.

1.2.1. Перспективы рюпользования СПИН на борту подвижного состава.

1.2.2. Перспективы использования СПИН на подстанциях систем тягового электроснабжения.

1.2.3. Перспективы использования СПИН в системах кондиционирования электрической энергии.

1.3. Основные технические требования к СПИН транспортного назначения.

1.3.1. Бортовой СПИН для тепловозов.

1.3.2. СПИН для систем тягового электроснабжения.

1.3.3. СПИН для систем кондиционирования электрической энергии.

1.3.4. Предварительные технические требования к СПИН транспортного назначения.

Выводы по главе 1.

2. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕБУЕМОЙ ЭНЕРГОЕМКОСТИ СПИН ТРАНСПОРТНОГО НАЗНАЧЕНИЯ, МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЕГО РАБОТЫ.

2.1. Необходима энергоемкость СПИН для тепловоза.

2.1.1. Анализ режимов работы тепловозов на железных дорогах.

2.1.2. Определение основных параметров СПИН-тепловоза.

2.1.3. Определение мощности дизель-генераторной установки и расхода топлива СПИН-тепловоза.

2.1.4. Определение необходимой энергоемкости СПИН для тепловоза.

2.1.5. Индуктивность СПИН, устанавливаемого на борту маневрового тепловоза.

2.2. Необходимая энергоемкость СПИН для тяговой подстанции.

2.2.1. Анализ режимов работы тяговых подстанций.

2.2.2. Определение необходимой энергоемкости СПИН для тяговой подстанции.

2.2.3. Индуктивность СПИН, устанавливаемого на тяговой подстанции.

2.3. Математическое моделирование работы энергосиловой установки транспортного назначения со СПИН.

2.3.1. Исходные положения для моделирования потоков энергии энергосиловой установки со СПИН.

2.3.2. Анализ процессов энергообмена между основными элементами энергосиловой установки тепловоза со СПИН.

2.3.3. Разработка математической модели, алгоритма и программы расчета работы ЭСУ со СПИН.

2.3.4. Вариантные расчеты и исследования математической модели ЭСУ тепловоза со СПИН на эксплуатационных режимах маневровой работы.

Выводы по главе 2.

3. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПИН НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ.

3.1. Разработка схемных решений подключений СПИН.

3.1.1. Схемы подключения СПИН к системе тягового энергоснабжения.

3.1.2. Схемы включения СПИН в состав энергосиловой установки тепловоза.

3.2. Разработка конструкции СПИН для использования на железнодорожном транспорте.

3.2.1. Конструкция бортового СПИН для тепловоза.

3.2.2. Конструкция стационарного СПИН для тяговой подстанции 129 3.3. Корректировка технических предложений на опытный образец

ЭСУ маневрового тепловоза со СПИН.

Выводы по главе 3.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СПИН ТРАНСПОРТНОГО

НАХНАЧЕНИЯ.

4.1. Экспериментальная модель ЭСУ тепловоза со СПИН.

4.1.1. Электромеханическое оборудование.

4.1.2. СП-магнитная система.

4.1.3. Автоматизированная система контроля, измерений и управления модели.

4.2. Экспериментальные исследования модели ЭСУ тепловоза со СПИН.

4.2.1. Автономные испытания отдельных блоков модели.

4.2.2. Исследования совместной работы блоков модели ЭСУ.

4.3. Испытания экспериментального образца СПИН стационарного исполнения.

Выводы по главе 4.

Широкомасштабное использование энерго- и ресурсосберегающих технологий и устройств является составной частью Энергетической стратегии России до 2020 г. [1] и государственной политики, направленной на устойчивое развитие хозяйственного комплекса нашей страны.

Железнодорожная отрасль в основополагающем документе, определяющем ориентиры энергетической эффективности на среднесрочную перспективу, «Энергетической стратегии железнодорожного транспорта на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года» [2], также в числе важнейших приоритетов устанавливает всемерное топливо-энергосбережение с одновременным повышением эффективности потребления этих ресурсов. Это выдвигает повышенные требования к качественным показателям модернизируемых и разрабатываемых энергетических установок.

Дополнительную сложную задачу весьма точной увязки прогноза электропотребления с прогнозом объёмов перевозочного процесса ставит требование Постановления Правительства Российской Федерации от 24.10.2003 г. № 643 о необходимости почасового прогноза потребления электроэнергии и введение дополнительной оплаты за отклонение фактического потребления более чем на ±5% от прогнозируемого [2]. В условиях современной рыночной экономики России, поскольку механизм такого прогноза в условиях влияния на организацию перевозочного процесса значительного числа факторов отсутствует, ОАО «РЖД» может нести дополнительные ощутимые финансовые затраты из-за отклонения фактического потребления электроэнергии от заявленного.

Несмотря на то, что электрическая энергия, заняв исключительное место в жизни человечества, является на сегодняшний день наиболее экологически чистой, удобной в транспортировке, обладает свойством делимости в сетях, может быть дозирована большим числом способов, современная электроэнергетика (в т.ч. транспортная) обладает значительным недостатком: практическое неиспользование технологии накопления значительных количеств электроэнергии. Таким образом, электроэнергия пока остается продуктом, который должен быть единовременно произведён и потреблён, так как не применяется её складирование, накопление. Для покрытия пиковых нагрузок в энергосистемах вынуждены завышать установленную мощность электрических генераторов и трансформаторов либо иметь пиковые энергоагрегаты, которые могут долгое время не использоваться, ввиду отсутствия пикового потребления. Данное обстоятельство ведёт к ухудшению эксплуатационных показателей оборудования, так как большую часть времени оно работает при нагрузках меньше номинальных либо простаивает, и в конечном итоге - к завышенным капитальным и эксплуатационным расходам.

Лучшие умы человечества издавна трудились над созданием «энергетической капсулы» - устройства, способного накапливать и сохранять, а в нужный момент отдавать энергию [3]. Использование накопителей электрической энергии в энергосистемах и энергоустановках позволило бы запасать электроэнергию в значительных объёмах при минимальных нагрузках, а затем использовать её в периоды пикового энергопотребления. Одновременно это позволило бы снизить установленную мощность трансформаторного и генераторного оборудования (в т.ч. мощность дизель-генераторной установки на локомотиве), а также эксплуатировать энергетическое оборудование в экономичных режимах, близким к номинальным. С другой стороны, стало бы возможным весьма точное прогнозирование потребления электроэнергии, а также гораздо меньшая зависимость такого прогноза от случайных факторов.

Для накопления электрической энергии можно использовать различные накопители энергии (НЭ). Тип НЭ определяется аккумулирующим элементом, а характер устройства управления - потребителем энергии. Наиболее известные из них: химические аккумуляторы, электромеханические накопители - инерционные (маховичные) накопители энергии (ИНЭ), ёмкостные накопители энергии (ЕНЭ) и сверхпроводниковые индуктивные накопители (СПИН). Два последних типа наиболее привлекательны, так как обладают следующими свойствами, отличающими их от остальных:

1). непосредственно накапливают, хранят и отдают электрическую энергию без её преобразования в другие виды энергии, следовательно, потери на преобразование энергии отсутствуют;

2). ёмкостные и индуктивные накопители энергии являются статическими устройствами, они не содержат движущихся частей, не подвержены в процессе эксплуатации механическому износу, следовательно, обладают высокой надёжностью;

3). ввиду отсутствия вращающихся частей, ёмкостные и индуктивные накопители энергии даже при значительных габаритах не вызовут гироскопического эффекта, способного повлиять на динамическую устойчивость экипажа, при установке накопителя на борту;

4). процессы накопления, хранения, отдачи электрической энергии в ёмкостных и сверхпроводниковых индуктивных накопителях не связаны с химическими реакциями, не требуют химического взаимодействия с окружающей средой, т.о. не приводят к загрязнению ядовитыми веществами и не способствуют деградации свойств накопителя;

5). высокий КПД (в частности, СПИН - свыше 95 %).

Исследованиям в области использования накопителей энергии на железнодорожном транспорте, а также решению задачи создания перспективных сверхпроводниковых систем, в т.ч. СПИН, посвящены работы Клименко Е.Ю., Кейлина В.Е., Полуляха Е.П., Косова Е.Е., Пупынина В.Н., Лосева Е.П., Шевлюгина М.В., М. Павелчика, Бочева A.C., Жаркова Ю.И., Быкадорова А.Л., Фигурнова Е.П., Петрушина А.Д., Пустоветова М.Ю., Хожаинова А.И., Никитина В.В., Середы Г.Е., Середы Е.Г. и др. Однако наблюдается недостаток работ, рассматривающих вопросы синтеза систем электроснабжения со СПИН транспортного назначения.

В качестве одной из перспективных энергосберегающих систем для использования на транспорте в настоящей диссертационной работе рассматривается СПИН, который характеризуется высокими показателями: к.п.д. (до 98 %), удельной энергоёмкостью (108 Дж/м"), удельной энергией на единицу массы - порядка 1-10 Дж/г, быстродействием, экологичностыо и надёжностью, а также отсутствием специфических требований к месту установки [4, 5, 6]. Актуальность данного направления исследования определяется и руководящими отраслевыми программными документами. В упомянутой «Энергетической стратегии ОАО «РЖД» отмечено «Электрифицированные железные дороги испытывают потребность в мощных накопителях электроэнергии для устойчивой реализации режимов рекуперации энергии подвижным составом, сглаживания суточной неравномерности потребления энергии, что в конечном итоге связано с экономией энергии на тягу поездов от 10-12% (грузовое движение) до 15-30% (пригородное движение)».

Одной из приоритетных задач при внедрении ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте в вопросах энергосбережения, согласно «Стратегическим направлениям научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г.» («Белая книга» ОАО «РЖД» - утверждена Президентом ОАО «РЖД» 31.08.2007 №964) [7], является «широкое использование энергоемких накопителей энергии в основных технологических процессах энергопотребления и генерации энергии», а также «использование достижений в области сверхпроводимости».

В полной мере эти задачи могут быть реализованы путем разработки и создания СПИН, в которых сосредоточены новейшие достижения физики, химии, материаловедения, электротехники и преобразовательной техники. Использование СПИН в транспортных системах электроснабжения (как стационарных, так и автономных) уже в обозримом будущем позволит повысить надёжность и эффективность их электроснабжения, улучшить качество электроэнергии, приблизить режимы работы энергосистем к установившимся (за счёт демпфирования пиков и провалов энергопотребления), снизить потери электроэнергии.

Работы по СПИН ведутся практически во всех развитых странах мира, где особое внимание уделяется их использованию для бесперебойного электроснабжения ответственных объектов. Кроме того, в мировой практике существуют проекты использования СПИН как в составе электрических передач мощности автономных локомотивов, так и на подстанциях систем тягового электроснабжения железных дорог.

Для реализации этих масштабных проектов требуется решить ряд важных задач, в числе которых находится создание методологии синтеза систем электроснабжения со СПИН транспортного назначения и обоснование эффективных сфер их применения.

В связи с последними рассуждениями ясно очерчивается объект исследований: электроэнергетические установки железнодорожного транспорта, содержащие в своём составе СПИН. В границах установленного объекта исследований предмет исследования включает в себя параметры, схемные и конструкционные решения вышеназванных электроэнергетических установок.

На основе обозначенной проблемы, установленного объекта и предмета исследование сформулируем цель работы, состоит в научном обосновании путей повышения эффективности работы энергоустановок железнодорожного транспорта за счёт расширения области применения СПИН транспортного назначения, определении технологических процессов для использования СПИН, разработке метода расчета требуемой энергоёмкости накопителя, совершенствовании конструкции сверхпроводниковых (СП) магнитов, разработке алгоритмов функционирования и схемных решений.

При проведении исследований использовались различные методы. Теоретические исследования выполнены с использованием математических методов (интегральное и дифференциальное исчисление, математическая статистика), теории электротехники, теории автоматического управления, методов анализа и синтеза с использованием структурных схем, метода передаточных функций, методы экономического анализа, экспертных методов. Экспериментальные исследования проводились на физических моделях, а также в виде компьютерного моделирования и вариантных расчетов (при поддержке их математической средой Майюаф.

Научная новизна работы заключается в:

- методиках определения необходимой энергоёмкости СПИН, основанной на анализе режимов работы тепловоза или тяговой подстанции;

- создании новых схем электрического сопряжения СПИН с существующими на железнодорожном транспорте электроэнергетическими установками;

- разработке технических решений по конструкции СПИН транспортного назначения;

- создании математических моделей электроэнергетических установок, содержащих в своём составе СПИН;

- результатах натурных экспериментальных исследований физических моделей электроэнергетических установок со СПИН транспортного назначения.

Основная идея диссертационной работы заключается в получении методики синтеза электроэнергетических установок, содержащих в своём составе СПИН, отвечающих нуждам железнодорожного транспорта.

Достоверность полученных результатов работы подтверждается:

- корректностью использования математического аппарата;

- удовлетворительным совпадением расчётных и экспериментальных характеристик, полученных при математическом и физическом моделировании, для проверки полученных теоретических положений.

При решении поставленных задач были получены результаты, которые определяют новизну работы и в виде научных положений выносятся на защиту.

- методики определения необходимой энергоёмкости СПИН для тяговых подстанций и автономных локомотивов;

- схемы электрического сопряжения СПИН с существующими на железнодорожном транспорте электроэнергетическими системами;

- технические предложения по конструкции СПИН транспортного назначения;

- математические модели электроэнергетических систем, содержащих в своём составе СПИН;

- результаты физического моделирования и экспериментальных исследований электроэнергетических систем со СПИН. Полученные результаты дополняют теоретические представления об электроэнергетических установках и процессах обмена энергией в них.

Практическая ценность результатов заключается в применении разработанных конструкций СПИН в сочетании со схемными решениями по их сопряжению с электроэнергетическими установками для сокращения расходов железнодорожного транспорта на электроэнергию, повышении надёжности и качества электроснабжения. Теоретические и практические результаты диссертационной работы определяют область их применения и использованы в ОАО «РЖД» - при разработке технических предложений и требований к СПИН бортового и стационарного исполнения, при изготовлении и в ходе испытаний макетного и экспериментального образцов СПИН транспортного назначения для систем автономного (СПИН-тепловоз) и стационарного (подстанция) тягового электроснабжения, при разработке и внедрении аванпроекта СПИН в системах электроснабжения потребителей ОАО «РЖД», а также в учебном процессе РГУПС.

Основные положения и результаты диссертации прошли апробацию, доложены и обсуждены на: Технико-экономическом совете Главного управления локомотивного хозяйства МПС России 27.05.1993г.; заседаниях топливно-теплотехнической секции НТС МПС России от 22.04.1994г. и от 31.05.2000г.; 59-й вузовской научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава «Транспорт-2000» (апрель 2000 г., РГУПС, г. Ростов-на-Дону); Четвёртом Международном симпозиуме «Электрификация и организация скоростных и тяжеловесных коридоров на железнодорожном транспорте» (25 октября 2007 г., ПГУПС, г. Санкт-Петербург); Первой международной конференции «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (2-3 апреля 2008 г., Экспериментальное кольцо ОАО «РЖД», г. Щербинка); Пятой Международной научно-практической конференции «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте» (13-15 октября 2010 г., г. Ростов-на-Дону); совместном заседании кафедр «Автоматизированные системы электроснабжения», «Локомотивы и локомотивное хозяйство» и «Электрический подвижной состав» РГУПС; научно-техническом совете НИИЦ «Криотрансэнерго» РГУПС.

По результатам выполненных исследований и материалам диссертации автором опубликовано 13 печатных работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 3 патента.

Автор выражает искреннюю благодарность д.ф.-м.н., проф. Клименко Е.Ю., к.т.н., доц. Пустоветову М.Ю., д.т.н., проф. Жаркову Ю.И., д.т.н., проф. Соломину В. А. за помощь при выполнении экспериментальной и теоретической частей работы, а также за научно-технические консультации при обсуждении результатов диссертационной работы.

Основные выводы и научные результаты по теоретическим исследованиям и практической разработке проблемы, связанной с выбором и анализом применения СПИН в энергетических установках железнодорожного транспорта, могут быть сформулированы следующим образом.

1. Сформулированы основные функции СПИН в системах тягового электроснабжения, заключающиеся в способности выравнивания графика потребления электроэнергии из энергосистемы и обеспечении рекуперации энергии электроподвижным составом в накопитель, установленный на тяговой подстанции. Аналитическим путем получены соотношения, позволяющие рассчитывать энергоемкость СПИН, и разработаны технические требования к СПИН транспортного назначения.

2. Анализ режимов работы СПИН в составе энергоустановок тепловоза и тягового электроснабжения позволил предложить схемы его сопряжения с ЭСУ тепловоза или тяговой электрической сетью на основе преобразователя постоянного напряжения, защищенные патентом на изобретение.

3. Предложено, что важнейшей функцией СПИН, размещенного на тепловозе с электрической передачей, является выравнивание режима работы дизель-генераторного агрегата, причем заряд СПИН может осуществляться как предварительно до начала движения, так и при движении локомотива. Это позволяет повысить экономическую эффективность железнодорожных перевозок на тепловозной тяге.

4. В результате выполненных исследований разработана методика расчета требуемой энергоемкости СПИН для объектов железнодорожного транспорта. Выполнен расчет энергоемкости СПИН для маневрового тепловоза и тяговой электроподстанции.

5. Исследования позволили создать математическую модель электрической передачи мощности постоянно-постоянного тока автономного локомотива, оснащенной СПИН, для анализа процессов в ней, учитывающую взаимосвязи между токами якорей тяговых электродвигателей и генератора тепловоза, а также типовые режимы работы маневрового локомотива.

6. Физическое моделирование и экспериментальные исследования энергосиловой установки маневрового тепловоза с электропередачей и СПИН подтвердили результаты теоретических исследований.

7. Разработан, изготовлен и испытан экспериментальный образец СПИН для систем тягового энергоснабжения с энергоёмкостью 1,5 МДж (0,42 кВт*ч), рабочим током до 10 кА при напряжении до 5 кВ (рис. 5, Б и В). Результаты экспериментальных испытаний при криогенных температурах совпали с данными расчетов с достаточной степенью точности (расхождение не более 5%).

8. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования, инженерные и технико-экономические расчеты свидетельствуют об эффективности применения СПИН на тепловозах с электрической передачей, тяговых подстанциях и ответственных тяговых железнодорожных потребителях электроэнергии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Научные результаты данной работы направлены на решение проблемы создания перспективных энергосберегающих систем транспортного назначения с использованием явления сверхпроводимости.

На основе принятых исходных положений и допущений разработана математическая модель энергосиловой установки тепловоза со СПИН, алгоритм и программа расчета на ЭВМ её токов, напряжений, энергетических и электромеханических параметров при различных режимах маневровой работы тепловоза,

Доказана практическая реализуемость ЭСУ транспортного назначения со сверхпроводниковым индуктивным накопителем на железнодорожном подвижном составе с использованием серийных комплектующих и широко известных современных технологий.

Предложены и запатентованы универсальные схемы электрического сопряжения СПИН с транспортными энергоустановками автономного и стационарного назначения.

Выявлена целесообразность применения на СПИН-тепловозе не только рекуперативного и неэлектрического торможения тяговых электродвигателей экипажа, но и торможения противовключением.

В ходе проведения расчётов по созданной программе уточнены ранее определённые характеристики и параметры составляющих элементов ЭСУ тепловоза со СПИН, позволяющие реализовывать типовые режимы маневровой работы тепловоза с их циклической повторяемостью, а также локализовать проблемные с точки зрения предельных возможностей и взаимодействия устройств участки рабочих режимов. Результаты вариантных расчётов моделируемого объекта хорошо согласуются с данными экспериментальных исследований, полученных при испытаниях физической модели ЭСУ со СПИН транспортного назначения в рамках ранее выполненных работ по данной тематике.

Определены направления дальнейших исследований на математической модели энергосиловой установки с применением идеологии управления её элементами, учитывающей возможность регулирования мощности дизель-генератора, а также в направлении использования стационарных СПИН в системах тягового электроснабжения.

Результаты диссертации использованы в работе железнодорожной отрасли, а также в учебном процессе транспортного ВУЗа, что подтверждено актами о внедрении (см. Приложения 4.4 и 4.5).

1. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года — М.: ГУ ИЭС Минэнерго России, 2001. 544 с.

2. Энергетическая стратегия ОАО «РЖД» на период до 2010 года и перспективу до 2020 года (принята НТС ОАО «РЖД» 24.05.2004 г. и утверждена Президентом ОАО «РЖД» 01.10.2004 г. №920).

3. Гулиа Н.В. В поисках «энергетической капсулы». М.: Дет. лит., 1986. -143 с.

4. Накопители энергии: Учеб. пособие для вузов / Д.А. Бут, Б.Л. Алиевский, С.Р. Мизюрин, П.В. Васюкевич: Под ред. Д.А. Бута. М.: Энергоатомиздат, 1991. -400 с.

5. Астахов Ю.Н. и др. Накопители энергии в электрических системах: Учеб. пособие для электроэнергет. спец. вузов/ Ю.Н. Астахов, В.А. Веников, А.Г. Тер-Газарян-М.: Выш. шк., 1989. -159 с.

6. Сверхпроводящие машины и устройства / Под ред. С. Фонера и Б. Шварца. -М.: Мир, 1977.-763 с.

7. Стратегические направления научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» на период до 2015 г. («Белая книга» ОАО «РЖД» утверждена Президентом ОАО «РЖД» 31.08.2007 №964)

8. Выравнивание нагрузки тяговых подстанций с помощью аккумуляторов энергии // Железные дороги мира. 1997. -№1. -С. 48-50.

9. Павелчик М. Повышение эффективности электрической тяги при помощи накопителей энергии: Автореферат дис. докт. техн. наук // МИИТ. М.: 2000. - 48 с.

10. Лосев Е.П. Эффективность применения накопителей энергии в силовых установках автономных локомотивов: Автореферат дис. канд. техн. наук // МИИТ.-М.: 2000.-25 с.

11. Шевлюгин М.В. Проблемы использования накопителей энергии в системах тягового электроснабжения: Автореферат дис. канд. техн. наук // МИИТ. -М.: 2000.-24 с.

12. Заруцкая Т.А. Исследование эффективности применения сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии на тяговой подстанции постоянного тока: Автореферат дис. канд. техн. наук // РГУПС. Ростов н/Д.: 2004. - 21 с.

13. В. Johnson, J. Low, G. Saw. Using a superconducting magnetic energy storage coil to improve efficiency of gas turbine powered high speed rail locomotive. IEEE Transactions on applied superconductivity. Vol. II, pp. 1900-1903.2001.

14. Гулиа Н.В. Маховичные двигатели. -М.: Машиностроение, 1976. 172 с.

15. Электроснабжение промышленных предприятий и установок: Учеб. для проф. учеб. заведений./ Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин, В.А. Яшков М.: Высш. шк., 2001. — 336 с.

16. Бурков Т. Электронная техника и преобразователи: Учеб. для вузов ж.-д. трансп. М.: Транспорт, 1999. - 464 с.

17. И.И. Алиев, С.Г. Калганова. Электротехнические материалы и изделия. Справочник. М.: ИП РадиоСофт, 2005. - 352 с.

18. А. Крутиков. Больше мощности на рельсы // Силовая электроника. 2005. -№2. -С. 28-29.

19. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: Учеб. для вузов по спец. «Электромеханика». 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1994. - 318 с.

20. Электротехнический справочник. Т. 1 /Под ред. профессоров МЭИ: Герасимова В.Г. и др. 9-е изд. М.: Издательство МЭИ, 2003. - 440 с.

21. Глебов И.А. м др. Электрофизические проблемы использования сверхпроводимости. JL: Наука, 1980.

22. Котельников A.B. Электрификация железных дорог: мировые тенденции и перспективы. М.: Интекст, 2002. - 104 с.

23. A.B. Котельников. Основные требования к системам и устройствам тягового электроснабжения скоростных и высокоскоростных магистралей. /Новое в хозяйстве электроснабжения. Сб. науч. тр. ВНИИЖТ/ Под ред. А.Б. Косарева. М.: Интекст, 2003. - С. 16 - 22.

24. Б.М. Бородулин. Перевод грузонапряжённых направлений на переменный ток. /Новое в хозяйстве электроснабжения. Сб. науч. тр. ВНИИЖТ/ Под ред. А.Б. Косарева. М.: Интекст, 2003. - С. 128 - 130.

25. Маневровые тепловозы /Под ред. JI.C. Назарова. — М.: Транспорт, 1977. — 408 с.

26. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. Учебник для вузов ж.-д. трансп. М.: Транспорт, 1982. — 528 с.

27. Сибикин Ю.Д. Электроснабжение промышленных предприятий и установок: Учеб. для проф. учеб. заведений./ Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин, В.А. Яшков М.: Высш. шк., 2001. - 336 с.

28. Короткевич М.А. Основы эксплуатации электрических сетей: Учеб. пособие. - Мн.: Выш. шк., 1999. - 267 с.

29. ОСТ 32.181-2001. Система разработки и постановки продукции на производство. Порядок заказа, разработки, постановки на производство, проведения испытаний и утилизации железнодорожной техники. Дата введения 2002-01-01.

30. Справочник по электроподвижному составу, тепловозам и дизель-поездам. Т. 1. /Под ред. А.И. Тищенко. М: Транспорт. 1976. - 431 с.

31. Технико-экономическая эффективность применения сверхпроводникового индуктивного накопителя на тяговой подстанции постоянного тока /

32. Быкадоров А.Л., Заруцкая Т.А. //Повышение эффективности работы электромеханических преобразователей: Междунар. межвуз. сб. науч. тр. -Ростов-на-Дону, РГУПС, 2003. С. 10 - 14.

33. Мирошниченко Р.И. Режимы работы элекрифицированных участков. М.: Транспорт, 1982. -207 с.

34. A.M. Василянский, P.P. Мамошин. Системы электроснабжения для вновь электрифицируемых участков переменного тока / Новое в хозяйстве электроснабжения. Сб. науч. тр. ВНИИЖТ / Под ред. А.Б. Косарева. М.: Интекст, 2003. - С.23 - 29.

35. Сипайлов Г.А., Лоос A.B. Математическое моделирование электрических машин (АВМ): Учебное пособие для студентов вузов. М.: Высш. Школа, 1980.-176 с.

36. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин: Учеб. для вузов по спец. «Электромеханика». 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Высш. шк., 1994. 318 с.

37. Ковчин С.А., Сабинин Ю.А. Теория электропривода: Учеб. для вузов. -СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отд-ние, 2000. -496 с.

38. Онищенко Г.Б. Электрический привод: Учеб. для вузов. М.: РАСХН, 2003.-320 с.

39. Фаронов В.В. Система автоматизированного моделирования и параметрической оптимизации СИАМ //Автоматизированное проектирование иерархических распределённых систем управления. М.: МГТУ, 1991.-С. 87-109.

40. Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0. М.: СОЛОН-Р, 2000. - 704 с.

41. Разевиг В.Д. Система проектирования цифровых устройств OrCAD. М.: СОЛОН-Р, 2000. - 160 с.

42. Разевиг В.Д. Система проектирования OrCAD 9.2. М.: СОЛОН-Р, 2001. -530 с.

43. Болотовский Ю.И., Таназлы Г.И. OrCAD. Моделирование. «Поваренная»книга. M.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 200 с.

44. Дьяконов В. П. Simulink 5/6/7: Самоучитель. — М.: ДМК, 2008.— 784 с.

45. Дьяконов В. П. Справочник по алгоритмам и программам на языке Бейсик для персональных ЭВМ: Справочник. — М.: Издательство Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989.— 240 с.

46. Основы преобразовательной техники: учеб. пособие для вузов /О.З. Попков. М.: Издательство МЭИ, 2005. - 200 с.

47. Патент США US2007/0108956A1 МПК: G05F1/00. Robert Louis Staigerwald. (US) 3.№11/273984, 15.11.2005. Опубл.17.05.2007. System and Method for Charging and Discharging a Superconducting Coil (Система и метод заряда и разряда сверхпроводниковой катушки).

48. Патент РФ № 2370875 Преобразователь постоянного напряжения (приоритет 17.04.2008), H 02 M 3/135, Клименко Е.Ю., Носков В.Н., Полтанов А.Е., Полулях Е.П., Пустоветов М.Ю., Рындин В.Н., Флегонтов Н.С., Патентообладатель - ОАО «РЖД».

49. Носков В.Н. К вопросу использования сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии в железнодорожной тяге // Вестник РГУПС, 2008. -№3 С. 54-59.

50. Быстрицкий Г.Ф., Кудрин Б.И. Выбор и эксплуатация силовых трансформаторов. -М.: Издательский центр «Академия», 2003. 176 с.

51. Носков В.Н. Силовой статический преобразователь для использования в составе электрической передачи мощности тепловоза со сверхпроводниковым индуктивным накопителем энергии //Вестник РГУПС, 2008. № 4 - С. 41-47.

52. Носков В.Н., Пустоветов М.Ю., Чирков В.К. Об энергоёмкости накопителей энергии для стационарного размещения на тяговых подстанциях // Вестник РГУПС, 2008. №1 - С. 120-127.

53. Носков В.Н., Пустоветов М.Ю. Об энергоёмкости накопителя энергии для тепловоза // Вестник ВНИИЖТ, 2008. № 5 - С. 42-44.

54. К вопросу выбора мощностных характеристик перспективного автономного тягового подвижного состава /Е.Е. Косов, В.А. Азаренко, М.М. Комарицкий //транспорт Российской Федерации.Спец. выпуск: Наука и транспорт. Железные дороги России. 2007. - С.20-21.

55. B.Destraz, P.Barrade, A.Rufer. Supercapacitive energy storage for diesel-electric locomotives. SPEEDAM 2004 June 16th- 18th, Capri (Italy).

56. Р.Ф. Барон. Криогенные системы M.: Энергоатомиздат, 1989. -408 с.

57. Лутидзе Ш.И. Экспериментальная модель трехфазного криотронного преобразователя на 50 Гц./ Ш.И. Лутидзе, В.Е. Игнатов, И.В. Карлаш, В.Н. Носков // Электричество, 1990. № 4. - С. 55-58.

58. Klimenlco E.Y. et al. Dimensioness optimization on the SC magneta for MHD ship propulsion // Proc. of EUCAS'93. Gottingen. Germany. - 1993. -C. 70-78.

59. Токомак Т-7/Д.П. Иванов и др. // АЭ. 1978. - Т. 45. - Вып. 3. - С. 171174.

60. Криогенные системы / А.А. Архаров, В.П. Беляков, Е.И. Микулин и др. -М.: Машиностроение, 1987. — 536 с.

61. SC coils for NMR tomografs /K.Hayakawa et al. // IEEE Trans, on Mag. Vol. 24.-1988.-№2.-P. 887.

62. Е/ Handschin et al. Elekrizitatswirschhaft, Jg. 89 (1980). Heft 3, p. 111.

63. T. Shintomi. In Progress in High Temperature Superconduct ivity. vol. 15.Y.Murakami. Ed.-P.592.

64. T. Marakawa et al. Ln Progress in High Temperature Superconductivit). Vol. 15. Y. Murakami Ed. P. 598.

65. C.A. Luongo and R.J. Lioyd. In Proceeding of the American Power Conference. P. 207.

66. Букель В. Сверхпроводимость. -M.: Мир, 1975.-366 с.