CC BY
309
Современные технологии - транспорту
35
УДК 621.319.4:621.337.2.07
В. А. Васильев
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЁМКОСТНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОДВИЖНОМ СОСТАВЕ
Анализируются варианты работы тягового агрегата с ёмкостным накопителем энергии при пуске и электрическом торможении электроподвижного состава. Представлены имитационные схемотехнические модели основных режимов работы, которые позволяют оценить работоспособность предложенных схемотехнических решений, а также результаты моделирования. Сформулирован вывод о целесообразности применения ёмкостного накопителя энергии в качестве буферного источника энергии.
накопитель энергии, электроподвижной состав.
Введение
Одним из инновационных энергосберегающих направлений развития энергетической стратегии на ОАО РЖД является применение энергоемких накопителей энергии на локомотивах, в системах тягового электроснабжения, в автономной тяге. Режимы работы железных дорог с постоянно меняющейся нагрузкой и периодическим сочетанием тяги и торможения в значительной степени предрасположены к высокоэффективному использованию накопителей. Их применение улучшает прохождение переходных процессов одновременно в преобразователях и приводе локомотивов. Они также позволят в наиболее полной мере использовать энергию рекуперативного торможения, которая будет расходоваться при пуске подвижного состава, уменьшая при этом нагрузку на контактную сеть и тяговые подстанции.
На современном пригородном подвижном составе эффективность применения рекуперативного торможения не превышает 5-8 %. Это обусловлено тем, что не всегда есть потребитель энергии на необходимом расстоянии от рекуперирующего состава, что в свою очередь приводит к недопустимому повышению напряжения в контактной сети и переходу на реостатное торможение. С помощью накопителя можно повысить эффективность электрического торможения на 15-20 %, так как в качестве потребителя энергии используется накопитель на борту транспортного средства.
Типы накопителей энергии и значения их основных параметров приведены в таблице 1.
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2011/1
36
Современные технологии - транспорту
ТАБЛИЦА 1. Типы накопителей энергии
Накопитель Удельная энергия, кДж/кг Время вывода энергии, c
Химический 102-105 1-105
Индуктивный 1-10 0 U) 1 О
Ёмкостный 0,0001-0,0005 10'3-10'6
Ёмкостный накопитель энергии 1-40 0,3-30
Механический 0,1 - 103 1-103
В последние годы достигнут существенный прогресс в области создания ёмкостных накопителей энергии (НЭ). Электрохимические конденсаторы относятся к устройствам, принцип действия которых основан на накоплении электрической энергии в двойном электрическом слое, сформированном на межфазной границе электронного проводника и инертного электролита. Отличие от традиционных конденсаторов состоит в использовании барьерного электрического поля, сформированного не в объеме диэлектрика, а вблизи поверхности контакта материалов с различными электрофизическими свойствами. Контактная пара как основа накопительного элемента должна обеспечивать получение максимальной плотности энергии в объеме барьерного слоя при минимальном токе утечки через барьерный слой, определяющем время хранения накопленной энергии [1].
По конструкции накопительный элемент состоит из двух пористых электродов, разделенных ионопроводящим и одновременно электроноизолирующим сепаратором. Пористая структура электрода позволяет максимально увеличить удельную ёмкость и энергию накопителя энергии.
Элементы различного исполнения обладают характеристиками в широком диапазоне значений:
удельная мощность до 3 кВт/кг;
удельная энергия до 10-15 Вт-ч/кг;
время заряда от 5 до 20 мин;
большой срок службы (до 100 000 циклов);
диапазон рабочих температур от минус 40 °С до +50 °С.
В настоящее время промышленностью освоен выпуск накопителей (табл. 2), приемлемых по мощностным параметрам для железных дорог, применение которых возможно в качестве буферного источника питания. Также к основным параметрам при внедрении накопителя энергии относятся его показатели по массе и габаритам, так как они влияют на вес электрического подвижного состава. Из таблицы видно, что увеличение удельной мощности влечет за собой снижение удельной энергии и наоборот - увеличение удельной энергии сопровождается снижением удельной мощности.
2011/1
Proceedings of Petersburg Transport University
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС 2011/1
ТАБЛИЦА 2. Характеристики ёмкостных накопителей энергии
Производитель Страна Тип Параметры одного элемента
С, Ф Количество циклов заряда-разряда Энергия, кДж t/,B О о Масса, кг
ЭСМА Россия 30ЭК204 2650 3 105 1000 48-24 -50... +50 95
30ЭК104И 107 85 45-12 14,9
203K402(12B)S 2000 190 14,5-4 26
30ЭК402 U 330 270 45-12 39
30ЭК501 U 200 160 45-12 27
ЭКОНД ИКЭ 60/28 160 2-105 60 28 А С j 38
ИКЭ115/300 2,5 115 300 +OU 53
ЭЛИТ 24ПП-20/0,003 76 >105 22,2/ 32 24/29 А(\ 14,5
24ПП-30/0,003 105 30,2/44,2 24/29 —г JU 21,5
Epcos Г ермания В49400А2126Q002 1200 5-105 3,75 2,5 -35...+70 0,30
В49620А1186Q000 1800 4,761 2,3 -25... +60 0,31
В48710Р4105 Q006 100 9,522 13 -30... +70 2,70
Maxwell США ВСАР0008 1800 7Т05 5,625 2,5 -35 ...+65 0,40
Nesscap Корея ESLLP-2500CO-002R3 2500 5* 105 6,612 2,3 -40... +60 0,65
ESHSP-1700CO-002R7 1700 6,196 2,7 0,38
EMHSP-0094CO-045R0 94 111 45 0,38
U)
Современные технологии - транспорту
38
Современные технологии - транспорту
1 Применение накопителей энергии на электрическом подвижном составе
Применение ёмкостного накопителя энергии позволит накапливать электрическую энергию при рекуперативном торможении электрического подвижного состава с последующим использованием этой энергии для пуска [2], [3]. На рисунке 1 представлена упрощенная схема силовых цепей моторного вагона электропоезда с подключенным накопителем энергии.
Первоначальный заряд накопителя энергии осуществляется от контактной сети через токоограничительный резистор R и контактор заряда, включаемый от контроллера машиниста. Длительность включенного состояния контактора задана постоянной времени заряда конденсатора из расчета его полного заряда до уровня напряжения в контактной сети. При пуске накопитель энергии подключается к тяговым двигателям через импульсный регулятор ШИР. Расход электроэнергии из контактной сети на пуск электрического подвижного состава отсутствует, так как используется энергия ёмкостного накопителя. В дальнейшем возврат энергии при рекуперативном торможении происходит в ёмкостный накопитель.
Рис. 1. Упрощенная схема силовых цепей моторного вагона
Напряжение на двигателях ид определяется напряжением на выходе широтно-импульсного регулятора (ШИР):
ид = х • и„э, (1)
где X - коэффициент заполнения;
2011/1
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
39
Цнэ - напряжение накопителя энергии.
При питании двигателя от накопителя энергии напряжение на выводах накопителя инэ определяется по следующей формуле:
UH3 = ЕНЭ _ ^НЭ ■ R, (2)
где Енэ - ЭДС накопителя энергии;
/нэ - ток разряда НЭ;
R-НЭ - внутреннее сопротивление НЭ.
Ток разряда НЭ определяется по формуле:
/нэ =^' /д
(3)
После объединения формул (1), (2) и (3) было получено уравнение, по которому можно определить разряд накопителя:
инэ = ЕНЭ _Е' /Д ' RC .
ЭДС накопителя Енэ при токе накопителя /с ф 0 является переменной величиной, которую можно определить из разности:
Енэ Енэо Еэ ,
где Енэо - начальное значение ЭДС накопителя;
^Енэ - уменьшение ЭДС накопителя за бесконечно малый интервал времени dt.
Значение dE^ в общем случае рассчитывается по формуле:
dE - I-m-dt
^НЭ
C
где dt - бесконечно малый интервал времени;
С - суммарная ёмкость накопителя энергии.
Предложенный способ расчета ЭДС может использоваться как для расчета напряжения на выводах накопителя при работе в режиме пуска, так и при рекуперативном торможении, только в этом случае ток накопителя /с будет иметь отрицательное значение.
2 Моделирование режимов тяги и торможения при питании от накопителя энергии
Для исследований режимов тяги и торможения при питании от накопителя энергии разработана имитационная модель в пакете SimPowerSys-tems (Matlab Simulink), которая позволяет наблюдать процессы в тяговом приводе.
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2011/1
40
Современные технологии - транспорту
Представленная модель (рис. 2) состоит из модели тягового электродвигателя УРТ-110, системы управления накопителем энергии (заряд накопителя или подключение его к тяговому двигателю), IGBT-транзистора и системы управления широтно-импульсным регулятором.
Рис. 2. Имитационная модель силовых цепей тягового привода при использовании накопителя энергии
Рис. 3. Графики зависимости скорости вращения, напряжения накопителя и тока якоря от времени:
1 - скорость вращения якоря электродвигателя;
2 - напряжение накопителя энергии; 3 - ток якоря электродвигателя
2011/1
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
41
Накопитель вначале заряжается от источника питания до определенного уровня напряжения, затем отключается от источника и через широтноимпульсный регулятор, выполненный на IGBT-транзисторе, питает тяговый электродвигатель.
Частота задающего генератора системы управления при моделировании равнялась 1500 Гц, начальный коэффициент заполнения 0,5. Ёмкость накопителя при моделировании задавалась равной 10 Ф, рабочее напряжение 600 В. По мере разряда накопителя коэффициент заполнения постепенно увеличивается и достигает значения, при котором IGBT-транзистор полностью открыт.
Исследование процесса заряда накопителя при рекуперативном торможении проводилось на модели, представленной на рисунке 4.
Рис. 4. Имитационная модель силовых цепей тягового привода при заряде накопителя энергии в режиме электрического торможения
В режиме электрического торможения тяговый двигатель работает как генератор постоянного тока независимого возбуждения, преобразуя механическую энергию движения в электрическую, вырабатываемую в тяговом электродвигателе. Обмотка возбуждения подключена к источнику питания через преобразователь, с помощью которого плавно регулируется напряжение питания и, следовательно, ток возбуждения. Накопитель энергии подключен к якорю модели тягового электродвигателя. Ток рекуперации или ток заряда накопителя регулируется с помощью системы управления зарядом накопителя.
В результате моделирования были получены графики основных процессов и значения токов и напряжений, изменяющихся во времени
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2011/1
42
Современные технологии - транспорту
(рис. 3, 5). Созданные модели позволили комплексно оценить работу электрической схемы (см. рис. 1) и подтвердили работоспособность предложенных схемотехнических решений.
напряжения накопителя и тока возбуждения от времени:
1 - скорость вращения якоря электродвигателя; 2 - напряжение накопителя энергии; 3 - ток возбуждения электродвигателя
3 Экспериментальные исследования работы накопителя на коллекторный электродвигатель
Электрическая часть макетной установки включает силовую цепь и систему управления. В качестве коллекторного электродвигателя используется машина постоянного тока последовательного возбуждения Д-24. В качестве накопителя энергии использован конденсатор STARCAP со следующими параметрами: электрическая ёмкость 2 Ф, предельное напряжение 30 В, внутреннее сопротивление 0,18 Ом. Схема силовой части макетной установки представлена на рисунке 6.
Силовая схема установки включает элементы: источник питания ИП, сглаживающий реактор, IGBT-транзистор IRG4PC30UD (обратное напряжение 600 В, номинальный ток 31 А), выполняющий функцию широтноимпульсного регулятора, обратный диод. Система управления состоит из драйвера IGBT-транзистора и формирователя широтно-импульсного сиг-
2011/1
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
43
нала. Для проведения измерений использовался комплекс, построенный на базе измерительного модуля фирмы National Instruments (NI) USB-9215.
К2
ДТ1 (•
I +
гЛ
1 /Ок 1 f il/ 1 1 1 !“ 1
_Ц1к ) L
СУ 1 "пГ 1
1 J - —
ДТ2 (•-► I Д
K3.1
К установке исследования рекуперативного торможения
Рис. 6. Силовая схема и система управления части физической модели
Эксперименты включали пуск двигателя при питании от накопителя энергии. Характер изменения тока нагрузки и напряжения на накопителе при пуске электродвигателя с коэффициентом заполнения 0,5 представлен на рисунке 7.
Рис. 7. График изменения тока нагрузки и напряжения на накопителе энергии в режиме пуска ТЭД
Проведенные эксперименты на макетной установке показали возможность осуществления пуска двигателя от накопителя. Дальнейшие исследования на макетной установке будут направлены на совершенствование схемных решений на основе более совершенной элементной базы и алгоритмов управления.
ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС
2011/1
44
Современные технологии - транспорту
Заключение
Использование накопителя энергии в качестве буферного устройства, основная функция которого состоит в сохранении энергии в момент электрического торможения, целесообразно, так как с частичным замещением в момент пуска электропитания ЭПС от контактной сети на питание от автономного источника энергии происходит значительное снижение нагрузки на контактную сеть с одновременным увеличением пропускной способности.
Библиографический список
1. Молекулярные накопители электрической энергии на основе двойного электрического слоя / А. М. Иванов, А. Ф. Герасимов // Электричество. - 1991. - № 8. -С. 16-19.
2. Применение энергонакопительных устройств на электроподвижном составе / А. С. Мазнев, А. М. Евстафьев // Транспорт Урала. - 2009. - № 2 (21). - С. 83-85.
3. Применение суперконденсаторов на электрическом подвижном составе / А. М. Евстафьев // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2009. - № 1. -С. 16-19.
Статья поступила в редакцию 15.09.2010;
представлена к публикации членом редколлегии А. Н. Марикиным.
УДК 629.424.3
А. Ж. Есбулатова, К. Н. Войнов, З. А. Докучаева
ЭФФЕКТИВНОСТЬ НОВОГО МЕТОДА ТАМОЖЕННОГО КОНТРОЛЯ ПАССАЖИРСКИХ ПОЕЗДОВ НА ПОГРАНИЧНЫХ СТАНЦИЯХ
Эффективность таможенно-пограничного контроля при пересечении границ сопредельных государств локомотивами и пассажирскими вагонами может быть достигнута за счёт применения специальных приборов, с помощью которых примерно в три раза сокращается длительность досмотра и одновременно во много раз увеличивается качество диагностики на предмет обнаружения нелегальных гру-зов/товаров, спрятанных за обшивой.
таможня, контроль/досмотр, плотность, нелегальный груз, вагон пассажирский, локомотив.
2011/1
Proceedings of Petersburg Transport University
