CC BY
27
УДК 621.333.024:621.316.73
А. М. АФАНАСОВ, С. В. АРПУЛЬ, А. С. МЯСНИКОВ (ДНУЖТ)
Кафедра «Электроподвижной состав железных дорог», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел.: (056) 373-15-31, эл. почта: afanasof@ukr.net
АНАЛИЗ РЕЖИМОВ ПУСКА АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОПОЕЗДА ПРИ ПИТАНИИ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ОТ ИОНИСТОРА
Введение
Наличие неэлектрифицированных участков в сети железных дорог Украины требует использования автономного тягового и моторва-гонного подвижного состава. В настоящее время данная проблема решается за счёт эксплуатации тепловозов и дизель-поездов. Отсутствие в парке автономного подвижного состава аккумуляторных электровозов и электропоездов объясняется, в основном, высокой себестоимостью и низкими энергетическими показателями современных электрохимических источников энергии [1].
Анализ истории и перспектив развития электрохимических источников показывает, что в ближайшем будущем применение таких накопителей энергии на моторвагонном подвижном составе будет экономически целесообразным и сопоставимым по энергетическим показателям с существующим вариантом питания тягового электропривода от контактной сети [2]. При этом основной проблемой питания тягового электропривода от электрохимических источников будет оставаться ограничение мощности разряда и заряда накопителя (батареи). Режимы пуска и остановочного электрического торможения требуют отбора и возврата энергии со значениями мощности, на порядок большими, чем в установившихся режимах движения электропоезда [3]. Решением данной проблемы может быть применение в качестве дополнительного накопителя энергии ионисторов [4].
Разряд и заряд ионисторов возможен с высокими значениями мощности при незначительных потерях энергии. Плотность накопленной энергии для ионисторов значительно меньше, чем для электрохимических источников, поэтому использование только ионисторов в качестве накопителя энергии будет нецелесообразным. Наиболее рациональным будет решение использования электрохимического источника, как основного накопителя энергии, и ионистора, как дополнительного накопителя, применяемого только в режимах пуска и остановочного торможения. Использование иони-
стора в качестве накопителя электроэнергии позволит применять рекуперативное торможение на дизель-поездах с электрической передачей.
Анализ характеристик пускового режима
Проведем анализ режимов пуска автономного электропоезда на площадке при питании тягового электропривода от ионистора, для этого рассмотрим режим разгона электропоезда, характер которого графически представлен на рис. 1.
РА
> t
Рис. 1. Характер изменения потребляемой мощности
На рис. 1 представлен характер изменения мощности, потребляемой от ионистора тяговым электроприводом. В данном случае в течение времени разгона от нуля до значения tр
потребляемая мощность прямо пропорциональна времени. Следует отметить, что такое представление характера зависимости Р (t) является упрощённым. На самом деле мощность, потребляемая электроприводом при тро-гании с места, всегда отлична от нуля, кроме того, в реальных системах автоматического пуска электропоездов, как правило, обеспечивается стабилизация либо пускового тока, либо пускового тягового усилия (пускового ускорения), а для данных режимов зависимость Р (t) не прямолинейна. Но при проведении данного анализам такое упрощение характера зависимости Р (t) вполне допустимо. Таким образом, упрощенно зависимость Р (t) может быть представлена в виде
© Афанасов А. М. та ш., 2015
Р = kpt,
где kp - коэффициент пропорциональности,
характеризующий темп нарастания потребляемой мощности.
р
где Рк - мощность, потребляемая электроприводом в конце пуска;
tp - время разгона электропоезда.
Учитывая то, что сила основного сопротивления движению реального электропоезда в режиме пуска составляет не более 5% от пускового значения силы тяги [3, 5], упрощенно коэффициент kp для варианта разгона на площадке может быть представлен в виде
2
кр -
Ma_
Ъп
1
Д А - J Pdt — Kt}
о
2
Р Р •
ДАс - П0 - Пк,
CU2
По -
CU П ^ к
1 Атг
2
Uк -J Uо2 - C tp2.
(5)
Выражение (5) может быть преобразовано к виду
ик - Цоу[1-^2
(6)
где а - параметр, который для заданного значения ио может рассматриваться как постоянный коэффициент.
к
а - -
Р
2
где М - масса электропоезда; а - среднее ускорение при разгоне; г)эп - среднее значение к. п. д. электропривода.
Суммарная энергия, потреблённая из иони-стора за время разгона
CU,
Время полного разряда (максимальное время разряда) ионистора до значения ик - 0 может быть определено из выражения (6) как
-
tpm — I— . л/а
Тогда выражение (6) может быть представлено в виде зависимости относительных параметров:
Цк - f Uo
( t ^ V t2m j
(1)
Ц
uо
г t V
1 -
V t2m j
Эта же энергия может быть представлена в виде
(2)
где По и Пк - потенциальные энергии ионистора в начале и конце разгона соответственно.
(3)
(4)
где ио и ик - напряжения на ионисторе в начале и конце разгона соответственно; С - емкость конденсатора. Объединив формулы (1) - (4), после преобразования получим выражение для определения напряжения на конденсаторе в конце разгона в виде
Время разряда ионистора до значения ик — 0,5ио , при котором расходуется 75% всей запасенной энергии, определяется как
— 2 tPm ~ 0,87^т .
Результаты расчета относительных параметров, характеризующих изменение напряжения на ионисторе по мере разгона электропоезда, представлены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты расчета характера изменения напряжения на ионисторе по мере разгона электропоезда
у / ^pm 0 0,25 0,5 0,75 0,9 1
U к/ /U о 1 0,97 0,87 0,66 0,44 0
Р
2
© Афанасов А. М. та îh., 2015
График зависимости —— = f
( t \
—о
V fPm J
пред-
ставлен на рис. 2.
—H = кн—о = ( 0,5; 1)—о.
нием электронного ключа VI (ЮВТ транзистор) [6]. Когда требуемое напряжение на электроприводе иэп становится выше напряжения на ионисторе ис , преобразователь начинает работать как повышающий конвертор напряжения за счёт импульсного регулирования с использованием электронного ключа V3 (ЮВТ транзистор) [6].
Качественно характеры изменения напряжений ис и иэп представлены на рис. 4.
Рис. 2. Характер изменения напряжения на ионисто-ре
Главной особенностью режима пуска электропоезда с питанием электропривода от предварительно заряженного ионистора заключается в том, что по мере разгона требуется плавное повышение напряжения питания тяговых двигателей, а напряжение на ионисторе снижается.
Такой характер изменения напряжений на источнике и потребителе электроэнергии требует применения специального преобразователя [6]. Наиболее рациональным будет соотношение между номинальным напряжением электропривода ин и начальным напряжением на ионисторе ио
Схемное решение преобразователя напряжения
Точное определение оптимального значения отношения кн является предметом отдельного исследования. Тем не менее, очевидно, что при принятом выше подходе к выбору значения кн требуется преобразователь, который в начале пуска будет обеспечивать преобразование мощности с понижением напряжения, а в конце пуска - с повышением. Один из вариантов схемного решения такого преобразования представлен на рис. 3.
Рис. 3. Схема преобразователя напряжения
В начале пуска преобразователь работает как понижающий конвертор напряжения за счет импульсного регулирования с использова-
Рис. 4. Характеры изменения напряжений на ионисторе и электроприводе
Условию процесс пуска можно разделить на две зоны регулирования. В зоне I (рис. 4) преобразователь работает как понижающий конвертор напряжения. Для этой зоны коэффициент передачи напряжения ки1 меньше единицы.
кш = иэп < 1. ис
В зоне II (рис. 4) преобразователь работает как повышающий конвертор напряжения. Для этой зоны регулирования коэффициент передачи напряжения ки 2 больше единицы.
ки 2 = ^ 1 .
и2 и
с
При t = ^ характеристики ис ^) и иэп (t) пересекаются (точка N на рис. 4). В момент времени ^ напряжения ис и иэп равны между собой
и с = и эп = и .
В данный момент времени необходимо переключение работы преобразователя с режима понижения напряжения на режим повышения.
В первой зоне регулирования коэффициент передачи напряжения определяется как
ки1 = ,
р
© Афанасов А. М. та îh., 2015
где ^ - коэффициент заполнения импульсов ключа VI [6].
Во второй зоне регулирования коэффициент передачи напряжения определяется как [6]
k -
1
1 - ¿2
где ^2 - коэффициент заполнения импульсов ключа V3.
Оценка массы ионистора
Энергетический баланс для режима пуска можно представить в виде [3]
МсЪэп - K + Aw
(7)
К 1000а
где а - ускорение при пуске, м/с2;
- среднее удельное сопротивление движению за время пуска, Н/т [5].
А /
Введем обозначение к^ = ук и запишем выражение (7) в виде
ААсЪэп =(1 + К)к.
(8)
Степень использования энергии предварительно заряженного ионистора может быть оценена коэффициентом степени разряда
kA -
Ml
Ac
где А - начальная энергия заряженного ио-нистора.
Тогда выражение (8) можно записать в виде
kAЪэп-Мс-(1 + kw)K .
(9)
Проведём оценку массы ионистора, представив его полную энергию Ас в виде
Ас - a с - mc
(10)
где ас - удельная плотность энергии конденсатора;
тс - масса ионистора.
Кинетическая энергия электропоезда в конце пуска
„2
, (11)
к - M vK
2
где ик - скорость электропоезда в конце пуска.
Объединив формулы (9)-(11), после преобразования получим выражение для массы ио-нистора, приведенной к массе электропоезда (приведенной массы ионистора), в виде
где ААс - энергия, потребленная из конденсатора за время пуска;
Ъэп - среднее значение к. п. д. электропривода;
К - кинетическая энергия электропоезда в конце пуска;
Ап - работа, затраченная за время пуска на преодоление сил сопротивления движению.
Нетрудно убедиться в том, что
^ _ ^о
- mс - kw •
Km
(12)
М 2 • ас Ъэп - кд
В табл. 2 приведены результаты расчета зависимости кт (ск) , полученные по формуле (12). Значение ъэп при расчётах принято Ъэп = 0,9. Значение кА принято кА = 0,75. Значение принято = 1,05 . Это значение соответствует реальным условиям пуска совре-
Н
менных электропоездов (= 30 + 50 — ;
т
а = 0,7+ 1 м/с2). Значение ас принято равным
4 -104 Дж, что соответствует реальным значе-кг
ниям удельной плотности энергии современных ионисторов [4]. График зависимости кт () представлен на рис. 5.
Таблица 2
Результаты расчета зависимости km ( v)
vK, м/с 0 5 10 15 20 30 40
km , % 0 0,05 0,2 0,44 0,77 1,75 3,12
40 V, м/с
Рис. 5. График зависимости km ( vK )
© Афанасов А. М. та îh., 2015
Как видно из табл. 2 и рис. 5, для обеспечения пуска электропоезда до скорости 40 м/с (144 км/ч) при питании электропривода от ио-нистора с плотностью энергии 4-104 Дж/кг требуется повышение нагрузки на ось электропоезда не более, чем на 3,1 %. Необходимая общая масса ионисторов на один вагон электропоезда массой 80 т [2] для данных характеристик пуска составляет приблизительно 2,5 т. Для случая пуска электропоезда до скорости 30 м/с (108 км/ч) необходимая общая масса ионисторов на один вагон электропоезда массой 80 т составляет приблизительно 1,4 т.
Выводы
Применение ионисторов является эффективным решением проблемы обеспечения вы-
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Скундин, А. М. Литий-ионные аккумуляторы нового поколения / А.М. Скундин // XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии: тезисы докладов, Т. 4. - Волгоград: ВГТУ, 2011. - С. 45.
2. Справочник по электроподвижному составу, тепловозам и дизель-поездам [Текст] / под ред. А. И.Тищенко. Т. 1. - М.: Транспорт, 1976. - 432 с.
3. Розенфельд, В. Е. Теория электрической тяги [Текст] / В. Е. Розенфельд, И. П. Исаев, Н. Н. Сидоров. - М.: Транспорт, 1983. - 328 с.
4. Ragone, D. Review of Battery Systems for Electrically Powered Vehicles, SAE Technical Paper 680453, 1968, doi: 10.4271/680453.
5. Правила тяговых расчетов для поездной работы [Текст]. - М.: Транспорт, 1985. - 287 с.
6. Бурков, А. Т. Электронная техника и преобразователи [Текст]: учеб. для вузов ж.-д. трансп / А. Т. Бурков. - M.: Транспорт, 1999. - 464 с.
Поступила в печать 01.12.2012.
сокой мощности разряда и заряда накопителя электроэнергии автономного электропоезда. Из результатов расчета, приведенных выше, видно, что применение ионисторов с плотностью энергии 4-104 Дж/кг для питания тягового электропривода автономного электропоезда в режиме пуска не влечет существенного увеличения нагрузки на ось подвижного состава.
Использование ионистора в качестве накопителя электроэнергии на дизель-поездах с электрической передачей даст возможность применять рекуперативное торможение с последующим использованием накопленной энергии в режиме тяги и, тем самым, позволит снизить расход топлива.
REFERENCES
1. Skundin A. M. Litiy-ionnye akkumulyatory no-vogo pokoleniya [Lithium ion batteries of new generation]. Tezisy dokladov. Volgograd. Publishing house of VSTU, 2011, p. 45.
2. Tishchenko A. I. Spravochnik po el-ektropodvizhnomu sostavu, teplovozam i dizel-poezdam [Handbook of electric rolling stock, locomotives and diesel trains]. Moscow, Transport Publ., 1976. Vol. 1. 432 p.
3. Rozenfeld V. Ye., Isaev I. P., Sidorov N. N. Te-oriya elektricheskoy tyagi [Theory of electric traction]. Moscow, Transport Publ., 1983. 328 p.
4. Ragone, D. Review of Battery Systems for Electrically Powered Vehicles, SAE Technical Paper 680453, 1968, doi: 10.4271/680453.
5. Pravila tyagovykh raschetov dlya poezdnoy raboty [Rules of traction calculations for train work]. Moscow, Transport Publ., 1985. 287 p.
6. Burkov A. T. Elektronnaya tekhnika i preobra-zovateli [Electronic technics and converters]. Moscow, Transport Publ., 1999. 464 p.
Внутренний рецензент Гетьман Г. К. Внешний рецензент Денисюк С. П.
Рассмотрены вопросы использования на неэлектрифицированных участках железных дорог Украины автономных электропоездов. Обоснована необходимость применения на таких электропоездах, наряду с электрохимическими источниками, ионисторов. Предложено использовать ионистор в качестве дополнительного накопителя, питающего электропривод при пуске электропоезда и потребляющего энергию в режиме электрического торможения. Приведены результаты расчета зависимости напряжения на ионисторе от времени разгона электропоезда, рассмотрены вопросы выбора рационального соотношения номинальных напряжений на ионисторе и электроприводе. Предложена принципиальная электрическая схема преобразователя, обеспечивающего частотное регулирование напряжения с коэффициентами передачи как меньше, так и больше единицы. Проведен анализ режимов пуска автономного электропоезда при питании тягового электропривода от ионистора, выполнен оценочный расчет его массы. Результаты расчета показывают, что применение ионисторов для питания тягового электропривода автономного электропоезда в режиме пуска увеличивает нагрузку на ось подвижного состава в допустимых пределах.
Ключевые слова: автономный электропоезд, электропривод, ионистор, плотность энергии, импульсное регулирование напряжения.
© Афанасов А. М. та ш., 2015
УДК 621.333.024:621.316.73
А. М. АФАНАСОВ, С. В. АРПУЛЬ, А. С. М'ЯСНИКОВ (ДНУЗТ)
Кафедра «Електрорухомий склад залiзниць», Днiпропетровський нацiональний унiверситет залiзничного транспорту iMeHi академiка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Днтропетровськ, Укра'ша, 49010, тел.: (056) 373-15-31, ел. почта: afanasof@ukr.net
АНАЛ1З РЕЖИМ1В ПУСКУ АВТОНОМНОГО ЕЛЕКТРОПОÏЗДА ПРИ ЖИВЛЕНН1 ТЯГОВОГО ЕЛЕКТРОПРИВОДА В1Д 1ОН1СТОРА
Розглянутi питання використання на неелектрифiкованих дiлянках залiзниць Укра'ни автономних елек-тропоíздiв. Обфунтовано необхщшсть застосування на таких електропо'здах, разом з електрохiмiчними джерелами, iонiсторiв. Запропоновано використовувати южстор у якостi допомiжного накопичувача, який живить електропривод при пуску електропо'зда та споживае енерпю в режимi електричного гальмування. Приведено результати розрахунку залежносп напруги на iонiсторi вiд часу розгону електропо'зда, розгля-нутi питання вибору рацюнального спiввiдношення номiнальних напруг на iонiсторi та електроприводi. За-пропонована принципова електрична схема перетворювача, який забезпечуе частотне регулювання напруги з коефМентами передачi як менше, так i бiльше одиницi. Наведений аналiз режимiв пуску автономного електропо'зда при живленнi тягового електропривода вщ iонiстора, виконаний оцiнювальний розра-хунок його маси. Результати розрахунку показують, що застосування iонiсторiв для живлення тягового електропривода автономного електропо'зда в режимi пуску збiльшуе навантаження на вюь рухомого складу в припустимих межах.
Ключовi слова: автономний електропо'зд, електропривод, iонiстор, щiльнiсть енергп, iмпульсне регулювання напруги.
Department of electrorolling stock of railways. Dnepropetrovsk National University of Railway Transport named after academician Lazaryana, str. Lazaryana, 2, Dnepropetrovsk, Ukraine, 49010, tel.: (056) 373-15-31, e-mail: afanasof@ukr.net
THE ANALYSIS REGIMES AT THE START OF AUTONOMOUS ELECTRIC POWER FROM THE ELECTRIC TRACTION IONISTOR
The questions used on non-electrified areas of railways of Ukraine of autonomous electric trains. The necessity for the use of electric trains, together with electrochemical sources, ionistors. Ionistor proposed to use as an additional storage device, electric power supply during start-up of electric trains and power consumption of electric braking. The results of the calculation of voltage on the ionistor of the acceleration time of electric trains, the issues of selecting a rational correlation rated voltage for ionistor and the electromotive. A basic circuit diagram of an inverter which provides a frequency voltage regulation with transfer coefficients either smaller or greater than unity. An analysis of regimes start autonomous electric power train in the traction electromotive of the ionistor, made a rough calculation of its mass. The calculation results show that the use of ionistor s to power the traction electric drive train in autonomous electric start mode increases the load on the axle of the rolling stock in an acceptable range.
Keywords: Autonomous electric train, electromotive, ionistor, energy density, pulse voltage regulation.
Внутршнш рецензент Гетьман Г. К.
Зовшшнш рецензент Денисюк С. П.
UDC 621.333.024:621.316.73
A. M. AFANASOV, S. V. ARPUL, А. S. MYASNIKOV (DNURT)
Internal reviewer Getman G. K.
External reviewer Denisyuk S. P.
© Афанасов А. М. та ш., 2015
