CC BY
262
УДК 62-593
B. М. Степанов, д-р техн. наук, проф. (4872) 35-54-50, eists @ramb ler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
C. В. Котеленко, асп., 8-920-753-69-77, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО РЕКУПЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Описаны существующие способы торможения электродвигателей, сравнение этих же способов между собой, приведены методы и технические решения, применяемые для эффективного использования электроэнергии, в том числе исследование генераторного режима в подъемно-транспортном и железнодорожном хозяйстве. Приведено описание конкретного технического решения, позволяющее рационально использовать электроэнергию в подъемно-транспортном и железнодорожном хозяйстве, в том числе в многодвигательных установках.
Ключевые слова: способы торможения, механическое и электрическое торможение, рекуперативное торможение, устройство рекуперации электроэнергии.
Все способы торможения электродвигателей можно разделить на два основных вида: механическое и электрическое.
При механическом торможении кинетическая энергия преобразуется в тепловую, за счет которой происходит нагрев трущихся и прилегающих к ним частей механического тормоза.
При электрическом торможении кинетическая энергия преобразуется в электрическую и в зависимости от способа торможения двигателя либо отдается в сеть, либо преобразуется в тепловую энергию, идущую на нагрев обмоток двигателя и реостатов.
Электрическое торможение может быть осуществлено рекуперативным и динамическим путем, а также противовключением двигателя.
При динамическом торможении якорь двигателя отключают от сети и замыкают на нагрузочное сопротивление. Машина начинает работать в режиме генератора независимого возбуждения, используя запас кинетической энергии. В двигателях последовательного и смешанного возбуждения при динамическом торможении необходимо изменить направление тока в последовательной обмотке возбуждения, чтобы сохранить направление создаваемого ею потока.
Торможение двигателей противовключением осуществляется переключением его обмоток таким образом, чтобы вращающий момент действовал в сторону, обратную направлению вращения. При этом машина работает в генераторном режиме, а ее ЭДС имеет направление, согласное с напряжением сети, и ток якоря
U + E
1а =-; (1)
га
152
Если во вращающемся двигателе, имеющем нагрузочный момент на валу, увеличить поток или угловую скорость таким образом, что ЭДС становится равной напряжению сети, то двигатель разгружается и начинает вращаться вхолостую. При дальнейшем увеличении ЭДС (Е>и) машина переходит в генераторный режим, и на ее валу создается тормозной электромагнитный момент. При этом в двигателях параллельного возбуждения не требуется переключения схемы, энергия торможения отдается в сеть и может быть полезно использована. Такое торможение называется рекуперативным и из всех вышеизложенных видов и способов торможения является наиболее экономичным и эффективным.
Рекуперативное торможение применяется, например, в железнодорожном электрическом транспорте - электропоездах, где при торможении электродвигатели начинают работать как электрогенераторы, а вырабатываемая электроэнергия передается через контактную сеть либо другим электровозам, либо в общую энергосистему через тяговые подстанции. Аналогичный принцип используется на электромобилях, гибридных автомобилях, где вырабатываемая при торможении электроэнергия используется для подзарядки аккумуляторов.
Проводились также эксперименты рекуперативного торможения на автомобилях; для хранения энергии использовались маховики, пневматические аккумуляторы и другие устройства.
Кроме этого, также актуально применение рекуперативного торможения в области строительства объектов и других высотно-монтажных работ. В данном случае, рекуперация электрической энергии используется во время спуска груза, а также в случаях работы крана под наклоном. Другими словами, рекуперативное торможение основано на свойстве обратимости электрических машин. При данном торможении тяговый электродвигатель работает в генераторном режиме, создавая необходимый момент сопротивления на валу и тем самым обеспечивая торможение движущейся системы. Электрическая энергия вырабатывается двигателем-генератором либо за счёт потенциальной энергии электротранспорта при его движении под уклон с постоянной скоростью, либо за счёт кинетической энергии при замедлении движущейся системы. Рекуперативное торможение даёт значительную экономию электрической энергии.
Рекуперативное торможение обладает рядом преимуществ, по сравнению с другими видами торможений.
Если сравнивать механическое, а именно реостатное торможение с рекуперативным, то можно сделать следующие выводы.
При реостатном торможении тяговые двигатели отключают от контактной сети и включают на тормозные резисторы. Преимуществом этого способа торможения является независимость тормозного процесса от наличия напряжения в контактной сети. Однако, в свою очередь, применение реостатного торможения несет в себе следующие недостатки: большой
удельный вес оборудования, значительные тепловые потери, износ оборудования, нерациональность использования электроэнергии, а также неравномерность скорости торможения, то есть во время движения поезда по крутому спуску, для того чтобы его скорость не превысила допустимую, обычно локомотив и состав периодически подтормаживают пневматическими тормозами. В результате скорость движения поезда уменьшается, а затем вновь возрастает, т. е. средняя скорость его на спуске ниже допустимой. Кроме того, все время притормаживать нельзя, так как истощается пневматическая тормозная система, снижается коэффициент трения колодок вследствие их нагревания.
Если сравнивать между собой способы электрического торможения, то отметим следующее.
К основным недостаткам динамического торможения относятся необходимость использования источника постоянного тока и неэкономичность.
Недостатками торможения противовключением являются большие токи и потери в обмотках при торможении, необходима аппаратура, контролирующая угловую скорость и отключающая двигатель от сети при его остановке. Если в приводе механизма двигатель часто работает в режиме реверса, приходится завышать его мощность из-за ее больших потерь.
Приведем ниже методы, применяемые для управления тяговых двигателей, в том числе их торможением:
1) накопление электроэнергии. Накопление электроэнергии может происходить несколькими способами:
а) использование тяговых аккумуляторных батарей;
б) применение сверхпроводниковых накопителей электроэнергии (использование кислорода с водородом для питания силовых установок локомотива);
2) тормозные резисторы. Применение реостатного торможения системы. При реостатном торможении тяговые двигатели отключают от контактной сети и включают на тормозные резисторы;
3) контроль потребления электроэнергии:
а) регулирование скорости движения электровоза:
- регулирование напряжения,
результат: повышение надежности и улучшение энергетических и массогабаритных показателей устройства;
- регулирование тока,
результат: ограничение интенсивности нарастания тока и ограничение интенсивности нарастания тока рекуперации в переходных режимах;
б) дополнительные режимные контакторы;
для изменения режима работы электропривода тяги или электрического рекуперативного торможения,
результат: обеспечение экономичного режима работы привода;
4) управление рекуперативным торможением, результат: повышение быстродействия устройства и высокая скорость пуска рекуперативного тормоза, обеспечение режима рекуперативного торможения в широком диапазоне скоростей поезда;
5) замедлители. Выполнены из идентичных звеньев, каждое из которых соединяет ^образный магнитопровод из ферромагнитного материала;
6) конструкция. Использование реверсивных переключателей.
результат: снижение требуемой мощности источника подпитки.
Также, помимо методов управления тяговых двигателей, приведем
методы управления грузоподъемными установками:
1) использование устройства управлением торможением лифтов, например, двухскоростной асинхронный двигатель (АД);
2) применение аккумулирующих устройств. Данный метод используется в ветроэнергетике;
3) конструктивные особенности. Результат: повышение КПД электропривода и его безопасности;
4) регулирование режима рекуперативного торможения электропривода;
5) ступенчатое торможение;
6) использование блока рекуператора.
Что касается методов регулирования торможения автомобилей, то приведем ниже следующие из них:
1) рекуперативный тормоз. Результат упрощенная конструкция и увеличение КПД;
2) регулирование торможения автомобиля с использованием махо-вичного накопителя энергии. Результат: управление режимами через величину и направление тока возбуждения и потенциал сетки;
3) использование аккумуляторных батарей;
4) применение теплогенерирующей смеси.
К недостаткам существующих технических решений относится то, что энергия, получаемая в генераторном режиме, может быть рекуперирована в питающую сеть с помощью устройства рекуперации и использована для питания приводов движения портала и горизонтального перемещения только лишь при их одновременной работе. В результате привода системы зависимы друг от друга, неэффективны в работе и имеют больший расход электроэнергии.
Задачей данного технического решения является экономия электроэнергии, повышение безопасности и соответствующей эффективности работы устройства: обеспечение бесперебойной работы устройства при каких-либо перегрузках и помехах, независимость и автономность работы каждой группы приводов.
На рисунке изображено устройство рекуперации электроэнергии.
Устройство включает в себя: группу коммутирующих ключей, группу предохранителей, устройство грозозащиты, высокочастотный фильтр, а также 4 привода. Все привода идентичны, кроме последнего, он включает в себя несколько двигателей. Каждый привод обладает своей функцией. В нашем случае используются привод подъема груза, привод передвижения тележки, привод поворота стрелы и привод передвижения крана. Как видно из схемы, два привода отмечены пунктиром, тем самым показывая, что схема может включать в себя любое количество приводов.
ОЛМИЯ / 1 .....тт К-ч'Я'У^—У и-иа < т,
Щ-
Ц5—р- Рй" "в4 --и-1 ''И
И ±С,3 Я Тйг ш и Гй
л 1* -иЛу.
М1 ;
Схема силового питания преобразователей частоты
Верхняя часть схемы отвечает за безопасность работы системы. В нее входит группа коммутирующих ключей, группа предохранителей, устройство грозозащиты, чтобы надежно защитить объект от воздействия любого вида перенапряжения. В вводном щите находятся рубильник и предохранители РШ-БиЗ. Индуктивности Ы-ЬЗ служат в качестве линий задержки для согласования работы разрядников РУ1-РУЗ и варисторов
RU1-RU3. Предохранители FU4-FU6 и FU7-FU9 устанавливаются в случае. Если ток срабатывания предохранителей FU1-FU3 выше тока, рекомендованного производителем для FV1-FV3 и RU1-RU3 соответственно. Далее следует фильтр для защиты электрооборудования от высокочастотных помех. Конденсаторы С1-С4 предназначены для подавления индустриальных радиопомехи фильтрации токов высокой частоты в цепях постоянного, пульсирующего и переменного токов. Для эффективного подавления дифференциальных помех в дросселях L1 и L2 используется противоположное подключение обмоток. Дроссели L3, L4 предназначены для подавления высокочастотных помех.
Оставшаяся часть включает в себя 4 идентичных привода, каждый из которых содержит группу коммутирующих ключей, группу предохранителей, рекуператор, блок накопителя электроэнергии, еще одну группу коммутирующих ключей, инвертор, двигатель, редуктор и исполнительный механизм.
Общий принцип таков, что за счет работы одного из приводов, т.е. его накопления электроэнергии через емкостно-индуктивные накопители, работы инверторов и обеспечения рекуперации за счет блоков рекуператоров, все остальные привода могут запитываться не от сети, а от рабочего активного привода. В результате каждая группа приводов может работать в автономном режиме независимо друг от друга, за счет того же блока емкостно-индуктивного накопителя. Также данное устройство рассчитано на применение в многодвигательных установках. Помимо всего прочего, существует возможность подпитывания соседней аналогичной системы приводов за счет энергии исходной системы электроприводов, с помощью третьей дополнительной группы коммутирующих ключей.
Другими словами, в случае применения данного устройства рекуперативного торможения в электрическом транспорте электрическая энергия, возвращаемая в контактную сеть рекуперирующим электровозом, потребляется электровозами, находящимися с ним на одном участке и работающими в тяговом режиме. Если таких электровозов нет или необходимая им энергия меньше рекуперируемой, то так называемая избыточная энергия рекуперации через устанавливаемые на тяговой подстанции специальные устройства - инверторы, преобразующие постоянный ток в переменный трехфазный, направляется в энергосистему.
Данное устройство может применяться в подъемно-транспортных механизмах и других системах, связанных с работой на спуск.
Список литературы
1. Ключев В.И., Терехов В.М. Электропривод и автоматизация общепромышленных механизмов. М.: Энергия, 1980.
2. Кацман М.М. Электрический привод: учебник. М.: Издательский центр «Академия», 2005. 384 с.
3. Ильинский Н.Ф., Москаленко В.В. Электропривод: энерго- и ресурсосбережение: учеб. пособие. М.: Издательский центр «Академия», 2008. 208 с.
V.M. Stepanov, S.V. Kotelenko
ANALYSIS OF TECHNICAL SOLUTIONS FOR RECOVERY ELECTRICITY
The existing ways of braking of electric motors, comparison of the same ways among themselves are described, methods and technical decisions, применямые for an electric power effective utilization, including, research of a generating mode in a hoisting-and-transport and railway economy are resulted. The description of the concrete technical decision allowing rationally to use the electric power and to apply in a hoisting-and-transport and railway economy, including, in multiimpellent installations is resulted.
Key words: ways of braking, mathematical and electric braking, recuperative braking, the device рекуперации the electric power.
Получено: 24.12.11
УДК 62-593
B. М. Степанов д-р техн. наук, проф. (4872) 35-54-50, eists @гатЬ ler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
C. В. Котеленко, асп., 8-920-753-69-77, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМА РЕКУПЕРАЦИИ В МНОГОДВИГАТЕЛЬНЫХ ПОДЪЕМНО - ТРАНСПОРТНЫХ МЕХАНИЗМАХ
Описаны режимы работы асинхронного двигателя. Приведено моделирование этих же режимов в пакете Ыа^аЬ.
Ключевые слова: обратимость двигателя, режимы работы двигателя, внешний момент.
Рекуперативное торможение основано на свойстве обратимости электрических машин. При рекуперативном торможении тяговый электродвигатель работает в генераторном режиме, создавая необходимый момент сопротивления на валу и тем самым обеспечивая торможение движущейся
