Д В Дмитрієнко - Дослідження схем генеруючих агрегатів локальних систем електропостачання рухомого складу - страница 1

Страницы:
1 

Литература

1. Схема питания двух многофазных реактивных индукторных двигателей./ А.В. Киреев, А.А. Кулишов, Г.Н. Кононов и др. //Патент на полезную модель. RU35581 U1, H02M 7/00. Опубл. 20.01.2004. Бюл.№2

2. А.В. Киреев, С.А. Пахомин. Математическое моделирование процессов в тяговом вен-тильно-индукторном электроприводе при работе от контактной сети переменного тока. // Извес­тия вузов. Электромеханика. 2005. №2. С. 29-35

3. КиреевД.В. Тяговый привод с индукторными двигателями /А.В. Киреев, Г.Н. Кононов, А.В. Лебедев, А.А. Кулишов.// Вестник ВЭлНИИ: науч. изд./. ОАО «Всеро. Н-и. и проектно-констр. Ин-т электровозостроения» (ОАО «ВЭлНИИ»). - Новочеркасск, 2007, - №2(54). С. 14­23.

The results of research calculations of supply system of two traction inductor motors mounted on one bogie of electric rolling stock.

Киреев А.В. - к.т.н., директор НИР и ИЦ ОАО «ВЭлНИИ» г. Новочеркасск, Россия;

Рецензент: д.т.н. В.Г. Щербаков.

УДК 629.424.3:621.313.12

Дмитрієнко Д.В. м. Луганськ

ДОСЛІДЖЕННЯ СХЕМ ГЕНЕРУЮЧИХ АГРЕГАТІВ ЛОКАЛЬНИХ СИСТЕМ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ РУХОМОГО СКЛАДУ

У статті проведено теоретичні дослідження генеруючих агрегатів локальних сис­тем електропостачання залізничного транспорту. Зроблено висновок про можливість підвищення ККД локальних систем електропостачання з використан­ням автономних джерел електропостачання з безконтактними генераторами. Ключові слова: рухомий склад, перетворювач частоти.

Постановка проблеми

Переважне поширення на сучасних тепловозах одержала електрична передача, яка характеризується незалежністю сили тяги тепловоза від обертального моменту й потужності дизеля. Передача змінно-постійного струму одержала широке поширення у зв'язку зі збільшенням потужності тепловозів [1].

Розвиток на сучасному етапі пересувних електрогенеруючих систем об'єктів наземного, морського і повітряного транспорту характеризується впровадженням си­лової перетворювальної техніки, засобів обчислювальної техніки і мікроелектроніки

[2].

Основною особливістю подібних систем електропостачання є порівняні поту­жності джерел і споживачів електроенергії, короткі кабельні лінії і тісний взаємозв'я­зок усіх елементів електричної системи. Електротехнічні параметри існуючих автоно­мних джерел електропостачання, виконаних на базі різних первинних двигунів, у бі­льшості випадків при роботі в якості основного джерела електропостачання не дозво­ляють генерувати електроенергію з параметрами, що задовольняють вимогам сучасних стандартів.

Уведення в структуру автономних джерел електроенергії силової перетворю­вальної техніки, мікропроцесорних систем релейного захисту і керування дозволяє ефективно вирішувати проблеми генерування електроенергії з необхідними парамет­рами якості й надійності, тому що значно підвищується ефективність керування напру­гою й частотою у всіх режимах роботи. При цьому суттєво поліпшується динаміка пе­ребігу електромагнітних перехідних процесів.

Таким чином, вдосконалення існуючих і розробка високоефективних, надій­них, з мінімальними масогабаритними параметрами генеруючих агрегатів для локаль­них систем електропостачання, із широким використанням сучасної силової перетво­рювальної техніки, мікропроцесорних систем керування і захисту є актуальним за­вданням.

Аналіз попередніх досліджень

У наш час тривають роботи відносно створення основних агрегатів локальних систем електропостачання: високоефективних електрогенераторів, напівпровідникових перетворювачів на базі силових інтегральних схем, мікропроцесорних пристроїв конт­ролю, керування і релейного захисту [3].

Незважаючи на швидкий розвиток даного напрямку, залишаються недостатньо дослідженими питання спільної роботи первинного двигуна, перетворювача частоти і розподіленого навантаження в сталих, перехідних і аварійних режимах роботи. У пер­шу чергу це стосується автономних систем генерування електроенергії, які містять високошвидкісну двигуно-генераторну частину з довільно змінною частотою обертан­ня первинного двигуна і силовий багатомостовий перетворювач частоти з компенсаці­єю вищих гармонік кривої вихідної напруги.

Мета статті

Мета проведених у роботі теоретичних досліджень полягає в досліджнні тео­ретичних основ вдосконалення існуючих і розробки високоефективних, надійних, з мінімальними масогабаритними параметрами генеруючих агрегатів для локальних си­стем електропостачання.

Матеріали та результати досліджень

Комбінація фундаментальних способів генерування електроенергії з можливо­стями силової перетворювальної техніки дозволяє створити системи генерування елек­троенергії, що володіють низкою додаткових привабливих властивостей, які можуть бути досить перспективними.

По-перше, знімаються обмеження по швидкості обертання первинного двигуна й генератора, що дозволяє створювати електрогенеруючу систему за схемою єдиний вал, що працює зі швидкістю обертання значно більше 3000 об/хв. Це дозволяє одер­жати більш високий ККД установки, зменшити матеріалоємність агрегату і в ряді ви­падків спрощує всю систему в цілому.

По-друге, така система дозволяє первинному двигуну в сталих режимах пра­цювати зі змінною частотою обертання ротора. Частота обертання змінюється залежно від величини навантаження. Це дозволяє реалізувати режим економії палива. Крім то­го, робота при знижених швидкостях обертання доцільна з погляду підвищення ресур­су роботи первинного двигуна.

У загальному випадку перетворювальне обладнання має можливість виконува­ти сукупність таких функціональних операцій:

• власне перетворення роду струму;

• регулювання параметрів перетвореної енергії (постійної складової у ланцю­гах постійного струму, першої гармоніки або діючого значення в ланцюгах змінного

струму);

• узгодження рівнів напруги джерела живлення і навантаження;

• забезпечення електромагнітної сумісності перетворювача із джерелом жив­лення 4 навантаженням.

Таким чином, застосування в автономних електростанціях перетворювальної техніки дозволяє ефективно вирішувати виникаючі проблеми, у тому числі проблеми енерго- і ресурсозбереження.

Так, стабільність частоти генерованої напруги визначається стабільністю зада-вального генератора, блока керування перетворювачем частоти. Тому що як задаваль-ний генератора використовується кварцовий генератор, стабільність якого надзвичайно висока, будь-яких проблем зі стабільністю частоти при даній реалізації схеми автоно­много джерела електропостачання не виникає.

Стабілізація генерованої напруги при стрибкоподібних змінах навантаження здійснюється завдяки електронному обладнанню управління перетворювача частоти. У цьому обладнанні немає електромеханічних елементів з великою інерційністю, тому швидкість відпрацьовування збурювальних впливів виходить максимально високою.

Стримуючим фактором побудови автономних джерел електропостачання за за­значеною схемою була відсутність надійних, економічних і відносно недорогих пере­творювачів частоти. За останнє десятиліття силова електроніка досягла значних успіхів у створенні високонадійних, економічних перетворювачів частоти із прекрасними ма-согабаритними показниками. Причому вартість таких перетворювачів швидко знижу­ється. Так, вартість одного кВт потужності перетворювача становить сьогодні менше 100 $, а массгабаритні параметри становлять не більше 1 кг на 1 кВт і 2 дм3 на 1 кВт. У вартісному вираженні введення перетворювача частоти в схему автономного джерела здорожує його вартість не більше ніж на 10-15 %.

Застосування силової перетворювальної техніки в складі автономної електро­станції знімає ряд важливих проблем, не пов'язаних прямо із процесом генерування електроенергії, але пов'язаних з її передачею в локальну мережу. До них належать про­блеми синхронізації системи генерування з мережею й забезпечення паралельної робо­ти між собою декількох генераторів.

Силова електроніка виконує також функції захисту агрегату, обмежуючи його потужність до певного значення. При цьому силова електроніка забезпечує компенса­цію всіх швидкозмінюваних параметрів режиму за час, не досяжний при використанні регуляторів первинного двигуна й генератора, насамперед при різких змінах потужно­сті навантаження.

При проектуванні автономних систем електропостачання загальнопромисло-вих навантажень передбачається більш ретельний аналіз навантажень і режимів їх ро­боти.

У 80-х роках минулого століття стали застосовувати високооборотні генерато­ри невеликої потужності на постійних магнітах в автономних системах електропоста­чання мобільних об'єктів (насамперед, на літаках).

Це дозволило сформулювати новий підхід до проектування автономних систем електропостачання локальних електричних систем:

• модульний принцип побудови автономних електрогенеруючих комплексів для локальних систем електропостачання більш ефективний у порівнянні із традицій­ним методом побудови таких систем;

• систему електропостачання з розосередженими статичними перетворювачами можна постачати енергією безпосередньо від високооборотного генератора напруги підвищеної частоти або від джерела постійної напруги відповідного номіналу;

• аналіз об'єкта електропостачання дає можливість виключити або інтегрувати ряд модулів структурної схеми системи, суттєво поліпшуючи основні характеристики.

Найбільш важливими питаннями проектування й експлуатації є питання роз­робки оптимального варіанта електростанції власних потреб об'єкта, розташованого в районах, де енергетичні системи відсутні або проектують у перспективі.

Щонайкраще поставлене завдання вирішується, якщо в складі автономної сис­теми електропостачання є електроагрегати різної одиничної потужності, а зміна кіль­кості одночасно працюючих агрегатів відбувається за мінімальний час.

На рис. 1 представлена схема дизельної електростанції із двома дизель-генераторами різної потужності й накопичувачем енергії.

Рис. 1. Схема дизельної електростанції із двома дизель-генераторами різної потужності

і накопичувачем енергії

Джерелом електричної енергії є два генератори Г1 і Г2 із приводними двигу­нами Д1 і Д2. Потужність генератора Г2 дорівнює 40 % потужності генератора Г1. Пуск генераторів здійснюється стартером від акумуляторної батареї (АБ) із зарядним пристроєм (ЗУ). Крім того, до складу автономної електростанції введений накопичувач енергії (НЕ) - супермаховик. Дизель-генератори й НЕ працюють на загальну шину по­стійного струму.

Підключення генераторів і НЕ до загальної шини постійного струму здійсню­ється через відповідні комутаційні пристрої К1, К2, К3 і випрямлячі В1, В2 і В3. Оде­ржання необхідної споживачеві електроенергії з параметрами 380 В, 50 Гц здійснюєть­ся за допомогою інвертора І1. Заряд накопичувача енергії здійснюється через інвертор И2, з комутуючим пристроєм К4.

Як НЕ використовується електромеханічний накопичувач, у якому запасається кінетична енергія обертового руху маховика.

Маховик розкручується за допомогою високошвидкісного електродвигуна. Швидкість обертання супермаховика може досягати 100000 об/хв. У режимі видачі енергії електродвигун переходить у режим роботи генератора. При наявності НЕ в складі автономної електростанції необхідно визначити значення його параметрів: енер­гоємності W, часу роботи НЕ в режимах накопичування (заряд), видачі (розряд) енер­гії.

Тривалість роботи НЕ визначається із графіка навантаження, при цьому його робоча енергоємність визначається виразом

Ен = j" P(H)dt, (1)

0

де ір - час роботи накопичувача (ір= тах(ізар, ірозр)); ізар, ірозр - відповідно час роботи НЕ в режимах нагромадження (заряд), видачі (розряд) енергії.

Запасена в маховику кінетична енергія визначається вираженням:

W = M {nrn )2, (2) де М - маса маховика,кг; r - радіус маховика, м; n - частота обертання маховика, об/с.

Найбільш доцільними матеріалами для виготовлення маховиків з великою пи­томою ємністю (супермаховиків) є тонковолокнисті матеріали: кварцові нитки, вугле­цеві волокна та ін. Багатошарові, волокнисті супермаховики мають досить високу на­дійність і безпечні в експлуатації. Кварцові нитки дозволяють одержати питому енер­гоємність до 5000 кДж/кг, вуглецеві волокна (зі структурою алмаза) - 15000 кДж/кг.

Максимальна потужність, видавана супермаховиком, обмежується тільки пе­ревантажувальною здатністю розгінного високошвидкісного електродвигуна, що пра­цює в генераторному режимі.

Висновки

1. Основою реалізації нових поколінь локальних систем електропостачання є вико­ристання перспективних високошвидкісних приводних двигунів, безконтактних генераторів змінного струму, напівпровідникових перетворювачів на базі силових уніфікованих інтегральних схем, цифрових систем керування, контролю й захисту.

2. Використання автономних джерел електропостачання з безконтактними генерато­рами дозволить підвищити ККД локальних систем електропостачання до 0,41-0,45.

3. Застосування високочастотних джерел електроенергії, виконаних на основі висо-кошвидкісних первинних двигунів, є одним з перспективних напрямків розвитку автономних джерел електропостачання. У цьому випадку ККД може досягати 0,50­0,60, а питома маса - 4-7 кг/кВт.

4. Модульний принцип побудови дозволить значно підвищити експлуатаційно-технічні показники автономних джерел електропостачання.

Література

1. Электрические машины и преобразователи подвижного состава: учебник для студ. учрежде­ний сред. проф. образования / А. В. Грищенко, В. В. Стрекопытов. М.: Издательский центр «Акаде­мия», 2005. — 320 с.

2. Бедфорд, Б. Теория автономных инверторов / Б. Бедфорд, Р. Хофт: Пер. с англ. - М.: Энергия, 1969.- 280 с.

3. Артюхов, И.И. Автономные инверторы тока в системах электропитания / И.И. Артюхов, Н.П. Митяшин, В.А. Серветник. - Саратов: Сарат. политехн. ин-т, 1992. - 152 с.

В статье проведены теоретические исследования генерирующих агрегатов локальных систем электроснабжения железнодорожного транспорта. Сделан вывод о возможности повышения КПД локальных систем электроснабжения с использованием автономных ис­точников электроснабжения с бесконтактными генераторами. Ключевые слова: подвижной состав, преобразователь частоты.

This paper contains the theoretical researches of electric supply sources generators of moving units. The conclusion is possibility of efficiency of local electrical supply systems increase with use of independent sources of an electrical supply with contactless generators. Keywords: rolling stock, frequency converter

Дмитрієнко Д. В. -     доцент кафедри залізничного транспорту СНУ ім. В. Даля, м. Луганськ, Україна mail: dmitrienkodv@ukr.net

Рецензент: д.т.н., проф. Чернецька-Білецька Н.Б.

Вісник СНУ ім. В. Даля - № 4 (158) - Частина 1 - 2011

Страницы:
1 


Похожие статьи

Д В Дмитрієнко - Дослідження схем генеруючих агрегатів локальних систем електропостачання рухомого складу

Д В Дмитрієнко - Дослідження схем автономних джерел електроенергії рухомого складу