CC BY
68
Общетехнические задачи и пути их решения 101
Максимум значений вейвлетпреобразования нормального сигнала приходится на масштаб 40.
Максимум значений вейвлетпреобразования дефектного сигнала приходится на масштаб 20.
Заключение
C помощью вейвлет-преобразования, проводя анализ сигнала, показывающего распространение звука в конструкции, можно сделать вывод, нормальный это сигнал или дефектный, не пользуясь другими методами обработки сигналов, и, соответственно, определить, есть ли дефекты в конструкциях металлических узлов.
Для проведенных выше вычислений были взяты заранее подобранные
Библиографический список
1. http://habrahabr.ru/blogs/algorithm/103899.
2. Преобразование Вигнера и атомарные функции в цифровой обработке сигналов / О. В. Вишнивецкий, В. Ф. Кравченко, О. В. Лазоренко, Л. Ф. Черногор // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2006. - Т. 11, № 6. - С. 26-38.
3. Анализ нелинейных волновых процессов при помощи преобразования Вигнера / О. В. Вишнивецкий, О. В. Лазоренко, Л. Ф. Черногор // Радиофизика и радиоастрономия. - 2007. -Т. 12, № 3. - С. 295-310.
4. Десять лекций по вейвлетам / И. Добеши. -Ижевск : РХД, 2001. - ISBN 5-7262-0633-9.
Дефект находится в сигналах, где-то между 20 и 40 отчетами нормального сигнала или 10 и 20 отчетами дефектного.
сигналы. В случае неопределенного
сигнала вейвлет-преобразование скорее всего не даст ярко выраженного результата. Чтобы выявить эти различия более
отчетливо, необходимо выбрать наиболее информативные участки на графике вейвлетпреобразования и воспользоваться
многомерным статистическим анализом. Возможно применение дискриминантного анализа.
5. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения / Н. М. Астафьева // Успехи физических наук. - 1996. - Т. 166, № 11. - С. 1145-1170 (электронный вариант: http:// www.ufn.ru/ ufn96/ufn96_11/Russian/r9611a.pdf).
6. Wavelets: Algorithms and Applications / Y. Meyer. - SIAM, 1993.
7. An introduction to wavelets / C. Chui. -Academic Press, 1992.
8. Основы теории вейвлетов. Вейвлеты в MATLAB / Н. К. Смоленцев. - Кемерово : Кемеровский государственный университет, 2003. -200 с.
УДК 629.42.064.5
А. И. Хожаинов, В. В. Никитин, Г. Е. Середа, Е. Г. Середа
Петербургский государственный университет путей сообщения
РАЗРЯДНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ СВЕРХПРОВОДНИКОВОГО ИНДУКТИВНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ
Одной из приоритетных задач развития железнодорожного транспорта в вопросах энергосбережения согласно «Стратегическим направлениям научно-технического развития ОАО РЖД на период до 2015 года» является широкое использование энергоемких накопителей энергии в основных технологических процессах энергопотребления и генерации энергии. В
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/1
Общетехнические задачи и пути их решения 102
связи с прогрессом в области создания высокотемпературных сверхпроводников второго поколения перспективным является использование сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии (СПИН).
Разработана принципиальная схема, обеспечивающая согласование характеристик потребителей традиционного исполнения и СПИН в режиме разряда. Предложено схемное решение по снижению объема «мертвой» энергии, основанное на модульной конструкции СПИН.
накопитель энергии, газотурбинный двигатель, транспортное средство, электрическая передача. Введение
Согласно «Стратегическим направлениям научно-технического развития ОАО РЖД на период до 2015 года», одной из приоритетных задач развития железнодорожного транспорта в вопросах энергосбережения является «широкое использование энергоемких накопителей энергии в основных технологических процессах энергопотребления и генерации энергии». Применение мощных, быстродействующих и экономичных накопителей энергии в оборудовании для транспортировки и распределения электроэнергии позволит предотвратить аварийные ситуации, связанные с отключением питания или падением напряжения в сети. Установка накопителей энергии на транспорте позволит сгладить неравномерности энергопотребления из первичной энергосистемы и полезно использовать всю энергию рекуперации, что приведет к повышению энергетических показателей работы системы.
В промышленно развитых странах значительное место в решении этих проблем отводится сверхпроводниковым индуктивным накопителям энергии (СПИН). Техническими преимуществами таких накопителей являются высокое быстродействие (1...10 мс), возможность хранения энергии в течение длительного времени, высокие массогабаритные показатели [1].
Применение СПИН на железнодорожном транспорте рассматривается в работах отечественных
специалистов. Например: в статье [2] предлагается использовать СПИН для повышения экономической
эффективности перспективного
газотурбовоза; в [3] рассмотрено применение СПИН в системе тягового электроснабжения для сглаживания пиков энергопотребления; в [4] для повышения эффективности и надежности работы устройств сигнализации, централизации и блокировки предлагается использовать СПИН в качестве резервирующего источника питания.
Однако особенности СПИН (медленно меняющийся ток, практически нулевое омическое сопротивление) значительно осложняют его непосредственное подключение к источникам и приемникам электрической энергии традиционного исполнения. Варианты схем зарядных преобразователей, согласующих
характеристики традиционных
источников питания с характеристиками СПИН, рассмотрены в работах [5], [6]. В [5] также представлен вариант разрядного преобразователя, в котором предлагается для преобразования вольт-амперной характеристики СПИН в характеристику источника напряжения использовать промежуточный ёмкостный накопитель (ЕН), однако представленная схема и алгоритм работы не обеспечивают постоянного питания нагрузки, а осуществляют только режим сглаживания энергопотребления (параллельно с основным источником питания).
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/1
Общетехнические задачи и пути их решения 103
1 Обеспечение бесперебойного питания потребителей от СПИН
Для обеспечения бесперебойного питания приемников электрической энергии традиционного исполнения от СПИН со стабилизацией выходного напряжения на заданном уровне разработана принципиальная схема разрядного преобразователя, представленная на рисунке 1.
На схеме приняты следующие обозначения: СПК - сверхпроводящий ключ, расположенный в холодной зоне СПИН (внутри криостата) и обеспечивающий режим «замороженного
потока» при длительном хранении энергии; K1 - полностью управляемый полупроводниковый ключ,
расположенный в теплой зоне (вне криостата) и обеспечивающий режим кратковременного хранения энергии в интервалах разряда промежуточного ЕН; К2 - полностью управляемый
полупроводниковый ключ,
предназначенный для подключения промежуточного ЕН к СПИН.
Рис. 1. Принципиальная схема разрядного преобразователя для СПИН
Перед началом работы происходит заряд промежуточного ЕН до заданного номинального напряжения. При падении напряжения на промежуточном ЕН до заданного минимального значения замыкается полупроводниковый ключ К2 и размыкается ключ К1, происходит дозаряд промежуточного ЕН от СПИН. При достижении на конденсаторе заданного номинального напряжения замыкается полупроводниковый ключ К1, СПИН переходит в режим кратковременного хранения энергии, ключ К2 размыкается, отключая ЕН от СПИН.
Особенностью работы предложенной схемы является то, что напряжение на
выходе будет поддерживаться на
заданном уровне при условии, что ток СПИН больше или равен току,
потребляемому нагрузкой: /спин > /н. При дальнейшем разряде СПИН разряд промежуточного ЕН током,
потребляемым нагрузкой, будет
происходить быстрее, чем дозаряд от СПИН, что приведет к падению напряжения на конденсаторе ниже
требуемого уровня. Таким образом, работоспособность обеспечивается только до тока СПИН, равного току нагрузки: /спин = *н; это приведет к тому, что в СПИН останется недоиспользованная («мертвая») энергия, величина которой
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/1
Общетехнические задачи и пути их решения 104
тем больше, чем больше ток, потребляемый нагрузкой в данный момент времени.
Величина «мертвой» энергии
L • I,
2
СПИН кон
2
I
L • I
2
СПИН нач
СПИН кон
СПИН нач
2
где 1спин нач, ^нач- ток и энергия, накопленная в СПИН к моменту начала разряда; 1спин кончен - ток и энергия СПИН в момент окончания разряда при
*СПИН = *н.
Таким образом, для уменьшения «мертвой» энергии максимальный зарядный ток СПИН должен выбираться
2 Повышение эффективности использования энергии СПИН
существенно больше максимального тока нагрузки. Однако чтобы не включать несколько полупроводниковых приборов параллельно и не предпринимать меры по выравниванию между ними токов, целесообразно ограничить максимальный зарядный ток СПИН до значения максимально допустимого тока
полупроводниковых приборов. В этом случае при больших токах, потребляемых нагрузкой, «мертвая» энергия может
достигать значительной величины:
например, если ток нагрузки составляет половину от максимального зарядного тока СПИН, «мертвая» энергия будет составлять 25 %.
2
2
В работах [7], [8] предлагается
выполнять СПИН требуемой
энергоемкости из отдельных модулей. Тогда уменьшение «мертвой» энергии можно достичь за счет увеличения допустимого времени заряда ЕН путем питания нагрузки одновременно от нескольких модулей СПИН, заряжающих каждый свой промежуточный ЕН.
Схема, реализующая предлагаемое техническое решение, использующее два модуля СПИН и два промежуточных ЕН, представлена на рисунке 2.
Назначение элементов схемы аналогично схеме, представленной на рисунке 1; К5, К6 - полностью
управляемые полупроводниковые ключи, предназначенные для подключения к нагрузке промежуточных ЕН1 и ЕН2 соответственно.
Перед началом работы происходит заряд промежуточных ЕН1 и ЕН2 до заданного номинального напряжения. Полупроводниковый ключ К5 замкнут, питание нагрузки осуществляется от ЕН1. При падении напряжения на промежуточном ЕН1 до заданного
минимального значения замыкается полупроводниковый ключ КЗ и размыкается ключ К1, происходит дозаряд промежуточного ЕН1 от СПИН1. Одновременно происходит замыкание полупроводникового ключа К6, ЕН2 подключается к нагрузке. К5 закрывается, так как Uc2 >UC1, нагрузка питается от ЕН2. При достижении на конденсаторе ЕН1 заданного максимального
напряжения замыкается
полупроводниковый ключ К1, СПИН1 переходит в режим кратковременного хранения энергии, ключ КЗ размыкается, отключая ЕН1 от СПИН1. В дальнейшем происходит поочередное питание
нагрузки от ЕН1 и ЕН2.
Применение данной схемы позволит разряжать каждый СПИН до тока в два раза меньше, чем ток нагрузки:
/спин = 0,5 • /н, что приведет к сокращению «мертвой» энергии Жм в четыре раза по сравнению со схемой, представленной на рисунке 1. Зависимость величины
«мертвой» энергии СПИН от тока нагрузки для схем рисунков 1 и 2 представлена на рисунке З.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/1
Общетехнические задачи и пути их решения 105
>-
у
Дозаряд_ЕШ Разряд ЕН1
До_заряц_ЕН2 Разряд ЕН2
Рис. 2. Принципиальная схема питания нагрузки от двух модулей СПИН
Рис. 3. Зависимость величины «мертвой» энергии СПИН от тока нагрузки
3 Моделирование работы преобразователей
Для исследования процесса разряда СПИН в зависимости от различных параметров составлены компьютерные модели в программе MatLabSimulink. На рисунках 4 и 5 представлены временные диаграммы токов СПИН, напряжений и токов на промежуточных ЕН и напряжения на нагрузке для схемы разряда одного и двух модулей СПИН соответственно.
Результаты моделирования
подтвердили работоспособность
предлагаемых схемных решений по преобразованию характеристик СПИН в характеристику источника напряжения, поддерживаемого на заданном уровне. Характер изменения токов СПИН в предложенных схемах одинаковый. В схеме параллельного разряда двух модулей СПИН в начале разряда в кривых токов промежуточных ЕН появляются участки с нулевым значением, а в кривых напряжения на нагрузке появились
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/1
Общетехнические задачи и пути их решения 106
относительно небольшие броски в момент переключения промежуточных ЕН.
^ 20001999.951999.91500 , 1000
500
m
-500 550
550
Я 500-
гСПИН
- 1 I 1 Г7777777777 ! 1 х ’ ■■ -
к C-J
j- 1 - •• • - 1
t, c
0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
Рис. 4. Разряд одного модуля СПИН на нагрузку
<
2000 v-'-------------ч
1999.95-
1999.9
2000
<
**■* 1000
PQ ь 0
2000 г
< 1000
PQ ь 0
550 г
500
га ь
450i
?СПИН2
^СПИН1
—,—=—п—!—!—• I • id
ис1
; 1 ■ 1
_ . . Uc2 1 1 ic2 1 t
1 : ' ' V ' , 1 :
0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02
Рис. 5. Разряд двух модулей СПИН на общую нагрузку
Заключение
Разработаны принципиальные схемы преобразователей для преобразования вольт-амперной характеристики СПИН (источника тока) в характеристику источника напряжения, поддерживаемого практически постоянным, что необходимо
для питания потребителей традиционного исполнения.
Предложен способ по снижению в четыре раза «мертвой» энергии, остающейся в СПИН в процессе разряда, основанный на модульном принципе построения накопителя.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/1
Общетехнические задачи и пути их решения 107
Библиографический список
1. Накопители энергии : учеб. пособие для вузов / Д. А. Бут, Б. Л. Алиевский, С. Р. Мизюрин, П. В. Васюкевич ; ред. Д. А. Бут. - М.
: Энергоатомиздат, 1991. - 400 с.
2. Способ применения
сверхпроводникового накопителя энергии (СПИН) для повышения экономичности
грузовых газотурбовозов / А. И. Хожаинов, В. В. Никитин, Г. Е. Середа // Транспорт
Российской Федерации. - 2007. - № 7. - С. 2931.
3. О характеристиках
сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии (СПИН) для стационарного размещения на тяговых подстанциях / М. Ю. Пустоветов, В. Н. Носков // Материалы IV Международного симпозиума Элтранс-2007 «Электрификация и организация скоростных и тяжеловесных коридоров на железнодорожном транспорте». -СПб. : ПГУПС, 2007. - С. 369-376.
4. Применение сверхпроводниковго индуктивного накопителя энергии в устройствах системы централизации и блокировки / А. Л. Быкадоров, Т. А. Заруцкая // Материалы V Международного симпозиума Элтранс-2009 «Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте». - СПб. : ПГУПС, 2010. - С. 350-354.
УДК 629.423.32:621.38
5. Пат. RU 2259284Российская
Федерация, МКЗ3В60М3/06, B60L7/12 /
Тяговая подстанция постоянного тока со сверхпроводниковым индуктивным
накопителем энергии / Быкадоров А. Л., Заруцкая Т. А., Петрушин А. Д., Фигурнов Е. П.; заявитель и патентообладатель Быкадоров А. Л., Заруцкая Т. А., Петрушин А. Д., Фигурнов Е. П.
- № 2003104912/11; заявл. 18.02.03; опубл. 27.08.05, Бюл. № 24 (I ч.). - 6 с.
6. Анализ схемы заряда
сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии через промежуточный емкостный накопитель / Е. Г. Середа // Известия Петербургского университета путей сообщения.
- 2009. - Вып. 2. - С. 60-70.
7. Методика расчета электромагнитных и
массогабаритных параметров обмотки
тороидального сверхпроводникового
индуктивного накопителя энергии / В. В. Никитин, Е. Г. Середа // Известия Петербургского университета путей сообщения.
- 2009. - Вып. 3. - С. 125-135.
8. Методика расчета индуктивности
многосекционного тороидального СПИН для тяговой подстанции / А. Л. Быкадоров,
Т. А. Заруцкая // Вестник Ростовского
государственного университета путей сообщения.
- 2003. - № 1. - С. 36-40.
Ю. В. Чернышева
Петербургский государственный университет путей сообщения
СРАВНЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРИ РЕОСТАТНОМ И ИМПУЛЬСНОМ РЕГУЛИРОВАНИИ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОПОЕЗДА
Рассмотрены преимущества импульсного регулирования скорости электропоездов. Приведены результаты исследований и сравнение энергетических потерь при импульсном и контакторно-реостатном регулировании скорости электропоезда.
расход электроэнергии, электропоезд, импульсное регулирование, контакторно-реостатное регулирование.
Введение
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2012/1
