CC BY
23
УДК 629.423.2
РЯБКО Е.В., к.т.н., доцент (Донецкий институт железнодорожного транспорта) РЯБКО К.А., к.т.н., доцент (Донецкий институт железнодорожного транспорта) САЦЮК А.В., к.т.н., доцент (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
Повышение энергоэффективности моторвагонного подвижного состава за счет использования емкостного конденсаторного накопителя энергии
Ryabko E.V., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor (DRTI) Ryabko K.A., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor (DRTI) Satsuk A.V., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor (DRTI)
Improving the energy efficiency of multi-unit rolling stock through the use of a capacitive capacitor energy storage
Введение
Несмотря на непрерывное обновление и модернизацию тягового подвижного состава, железнодорожный транспорт имеет низкую удельную энергоемкость. Потенциал экономии эксплуатационных расходов за счет сокращения расхода топлива и электроэнергии на тягу поездов в настоящее время достаточно ощутимый. С развитием современных технологий, микропроцессорных систем управления и силовых полупроводниковых приборов существует возможность активно влиять на него с помощью технологических и технических инноваций. С учетом прогнозируемого роста цен на энергоресурсы работа в этих направлениях становится еще более актуальной [1].
Анализ последних исследований и публикаций
Анализ существующих систем управления процессами рекуперации на электропоездах железных дорог и
муниципальном транспорте показал, что основные научно-технические решения приводились для узла накопителя энергии (аккумуляторных или конденсаторных батарей) [2-8]. При этом схемные решения управляющих цепей рассматривались недостаточно полно. С другой стороны, в работах, которые посвящены схемным реализациям коммутации накопителей и передачи энергии в тяговые агрегаты, приведены решения с применением дорогостоящей элементной базы. Как показал анализ подобных публикаций, такие электронные компоненты отвечают современным требованиям к быстродействию, к рассеиваемой мощности открытого подвержены влиянию мешающего электромагнитных помех [5]. Все это может влиять на работоспособность узлов и сроки службы системы в целом. Также следует отметить, что предлагаемые схемотехнические
решения адаптированы под
современный моторвагонный
подвижной состав, однако наиболее существенный потенциал заложен в
ключа, но опасного и воздействия
модернизации моторвагонного
подвижного состава производства СССР.
Цель работы
Выполнить оценку эффективности рекуперации при использовании емкостного конденсаторного
накопителя энергии, установленного на электропоезде. Разработать
схемотехническое решение системы управления тиристорными модулями, как составной части системы управления цепями коммутации конденсаторных батарей, системы рекуперации энергии торможения моторвагонного подвижного состава.
Основная часть
В настоящее время моторвагонный подвижной состав находит все большее применение во внутригородских перевозках. Железнодорожный
транспорт стал уже не пригородным или межобластным, а городским
электрическим транспортом. Известно применение МВПС на
внутриагломерационных электричках -один из видов городского общественного транспорта. Рассмотрим некоторые из них:
- Московские центральные диаметры - система линий внеуличного железнодорожного транспорта, созданная на базе Московской железной дороги. Иногда данный вид железнодорожного транспорта называют «наземным метро», хотя фактически он является пригородным электропоездом, который связывает между собой Москву и подмосковные города. Общая протяженность первой очереди диаметров составляет 132 км;
- Киевская городская электричка -
вид городского общественного электротранспорта в Киеве, который курсирует в пределах киевского железнодорожного узла. Маршрут имеет хорошее согласование со всеми линиями киевского метро и другого транспорта. Время следования составляет около полутора часа;
- Нижегородская городская электричка - один из видов железнодорожного транспорта Нижнего Новгорода. Вместе с метро образует систему городского скоростного рельсового электротранспорта. Данный вид пригородного железнодорожного транспорта также основан на базе Горьковской железной дороги.
Применение моторвагонного
подвижного состава на
внутриагломерационных электричках не ограничивается этими примерами, известны: Пермская, Минская, Екатеринбургская, Железногорская и
др.
Моторвагонный подвижной состав, применяемый на городских электричках, аналогичен пригородному и представлен электропоездами следующих серий: ЭР2, ЭД4М, ЭД2Т, ЭП2Д, ЭС1, ЭС2, ЭР9, ЭД9, ЭП3Д и др. Общим для всех пригородных электропоездов является наличие тягового электрического привода. У большинства электропоездов коллекторный тяговый электрический привод, на некоторых сериях применен асинхронный ЮВТ привод.
Характерной особенностью
железнодорожного моторвагонного подвижного состава является наличие реостатного или рекуперативного торможения. На некоторых сериях эксплуатируемых электропоездов
вообще отсутствует
электродинамическое торможение [9].
Реостатное торможение - это электродинамическое торможение, при котором электроэнергия,
вырабатываемая тяговыми
электродвигателями, работающими в генераторном режиме, гасится на тормозных сопротивлениях. В режиме реостатного торможения тяговые двигатели с помощью тормозных контакторов отключаются от контактной сети, а их обмотки возбуждения подключаются к независимому источнику питания. Обмотки якорей подключаются к группе тормозных резисторов. Недостатками реостатного тормоза являются дополнительный вес от оборудования и отсутствие возможности экономии электроэнергии.
Рекуперативное торможение - вид электродинамического торможения, при котором электроэнергия,
вырабатываемая тяговыми
электродвигателями, возвращается в контактную сеть.
Рекуперативно-реостатный тормоз - электродинамический тормоз, применяемый на современном мотор-вагонном подвижном составе, в процессе торможения которого последовательно сменяются или накладываются одно на другое рекуперативное и реостатное торможения.
При применении всех видов электродинамического торможения на моторвагонном подвижном составе не используется один из ощутимых резервов экономии электроэнергии -накопление энергии рекуперации и ее использование в процессе трогания с места и разгона поезда. Данную задачу можно решить с помощью установки в качестве накопителей энергии импульсных энергоемких
конденсаторов. Импульсные
энергоемкие конденсаторы имеют больший срок службы в сравнении с аккумуляторными батареями, в процессе эксплуатации и простоя, не требуют обслуживания, работоспособны в
широком интервале температур. Существенным преимуществом
энергоемких конденсаторов является низкий саморазряд, что позволяет эффективно применять их в системах рекуперации. Импульсные
конденсаторы, в отличие от аккумуляторов, не содержат таких токсичных металлов, как свинец, кадмий литий и др. Следует отметить также пожаро- взрывобезопасность
суперконденсаторов в отличие от аккумуляторных батарей [2-9].
Применение импульсных
энергоемких конденсаторов на электропоездах в качестве накопителей энергии рекуперации позволяет:
- аккумулировать энергию торможения и использовать ее для разгона моторвагонного подвижного состава с эффективностью до 40%;
- снизить нагрузку на контактную
сеть;
- снизить провалы напряжения в момент разгона нескольких электропоездов.
Ввиду сочетания уникальных свойств, суперконденсаторы в наибольшей степени соответствуют требованиям к накопителям энергии рекуперации для установки на моторвагонном подвижном составе [1012].
Рассмотрим типовой цикл движения, характерный для
моторвагонного подвижного состава внутриагломерационных электричек: разгон - движение на выбеге -торможение - стоянка и определим эффективность рекуперации при использовании емкостного
конденсаторного накопителя энергии, установленного на электропоезде.
Расчетная энергия, необходимая для разгона электрички до скорости будет равна:
Ет = т ■■
2
(1)
где ЕТ - расчетная энергия для разгона транспортного средства;
т - масса транспортного средства; V - скорость транспортного средства.
С учетом коэффициента использования энергии при разгоне, который учитывает действие сил сопротивления движению, получим:
Е
ЕР = Ет-Р К
(2)
где
Е.
Т1
запасенная энергия
электропоезда после свободного выбега;
ЕГ1 = т ■ (где
— - скорость после свободного
электропоезда выбега).
С учетом КПД работы конденсатора щ получаем энергию, которая поглощается накопителем при рекуперации:
ЕП =Л-Ет
Т1
2-■
К
л
(6)
где ЕР - расчетная энергия;
ЕТ - расчетная энергия для разгона транспортного средства;
Кв - коэффициент использования энергии при разгоне.
При номинальной мощности транспортного средства р время разгона до скорости - составит:
гР =
К / Рг
(3)
Эффективность рекуперации можно представить выражением, где энергия запасенная конденсатором, делится на энергию, необходимую на разгон электропоезда. Таким образом, максимальная эффективность
рекуперации, когда цикл работы является только разгоном и последующим торможением (без движения с постоянной скоростью) будет определяться:
где ^ - время разгона;
Ры - номинальная мощность транспортного средства.
Энергия потерь будет
определяться формулой:
Ек Кв
= «■ Кг ■
2 —
V
1_
К
л
Л „2
2 —
К
2
(7)
ЕТ 1
Ер — Ет = ~ТТ Ет = Ет ' -О- (4)
Ап К„
Доступная для рекуперации энергия в конденсаторе определяется выражением:
ЕД ЕТ1 ЕТ1
Л
— 1
2 — -
V Кв J 1
(5)
К
Максимальная эффективность использования достигается на линиях, где реализуется четкий график движения и алгоритм цикла: разгон -движение на выбеге - торможение -стоянка, который соответствует представленной выше модели.
На железнодорожном транспорте в зависимости от качества
электропривода К находится в
пределах 0,75.. .0,8. С учетом эффективности работы конденсатора
2
2
90% определим эффективность рекуперации с использованием импульсных энергоемких
конденсаторов на электропоездах:
Ef =V.Kb -(2--L);
K
(8)
Ef = 0,44.
Таким образом, эффективность рекуперации энергии с использованием накопителей на городских электричках достаточно высока, что обуславливает целесообразность разработки
схемотехнического решения
рекуперации электроэнергии
торможения электропоездов на импульсные энергоемкие конденсаторы.
С учетом проведенного анализа в рамках данной работы, предложено схемотехническое решение системы управления рекуперативной
конденсаторной системы электропоезда.
Конденсаторная система
рекуперации в составе электропривода моторвагонного подвижного состава состоит из цепей последовательно соединенных конденсаторных модулей. Система позволяет осуществлять накопление энергии торможения и использовать ее для обеспечения разгона транспортного средства. Энергию, накопленную в конденсаторе, можно использовать также для автономного хода без контактной сети и для собственных нужд. Для пояснения принципа работы предлагаемой системы рекуперации на рис. 1 приведена ее функциональная схема.
Входное воздействие,
поступающее на вход схемы управления, содержит информацию о режиме работы тягового двигателя моторного вагона. В зависимости от содержания принятой информации схема управления задает один из двух
режимов (генераторный или
двигательный), которые определяют работу батареи конденсаторов.
В генераторном режиме ключ замкнут по схеме б-в. В этом случае, ток якоря заряжает конденсаторную батарею.
бат
Рис. 1. Функциональная схема подключения энергоемких конденсаторов в систему рекуперации
В двигательном режиме ключ находится в положении а-в и конденсаторная батарея разряжается через нагруженный на нее двигатель, тем самым обеспечивает агрегату необходимый пусковой момент или момент при повышенной нагрузки на валу.
В большинстве случаев такой подход решается путем коммутации цепей при помощи механических коммутаторов или реле. Однако ввиду того, что основным узлом схемы управления ключом является цифровые
микропроцессорные устройства, то электромагнитные помехи,
возникающие при коммутации, неизбежно вызывают мешающие и опасные влияния на аппаратуру. Это приводит к неправильной работе или выходу из строя электронных схем.
Одним из способов решения данной проблемы является применение полупроводниковых силовых ключей. На сегодняшний день наиболее актуальны ЮВТ-, MOSFET- и тиристорные модули. Если учесть, что ключ, представленный на рис. 1, работает в длительно-включенном режиме, то вполне очевидно, что ЮВТ и MOSFET транзисторы будут рассеивать большую мощность, что в дальнейшем скажется на их работоспособности. Поэтому, для их надежной работы понадобится дополнительное активное охлаждение. С другой стороны, тиристорные модули способны решить данную задачу без дополнительного рассеивания
мощности на работу в статическом режиме [13]. Кроме того современные тиристорные модули предлагают большой ряд конфигураций
выполненных на одном кристалле и сравнительно низкую стоимость в сравнении с транзисторными сборками.
Для данного вопроса:
переключения двух режимов наиболее предпочтительна конфигурация модуля: тиристор - тиристорная (рис. 2).
Наиболее оптимальной для данного решения маркой тиристорно -тиристорной конфигурации модуля является SEMiX302KT16s [14]. Этот модуль в длительном режиме способен коммутировать напряжения до 1600 В и пропускать ток 400 А через отдельный тиристор. Кроме того, в открытом состоянии пропуская через себя ток 200 А, тиристор рассеивает мощность не более 200 Вт (рис. 3).
Схема управления
-о—
Рис. 2. Упрощенная принципиальная схема системы рекуперации с накопителем энергии
1200 V/ 1000
В00
600
400
200 1\|0
ЕЕМхаажпв!
1 1 1 — 1 • ЭЕМ1ХМ2КН16< 1 - БЕМ|Х302КТ16;
1 /
/
/ /
/
/
/
/
/
0 1рм& £00
-100
600 А 800
Рис. 3. Зависимость рассеиваемой мощности от тока тиристорного модуля SEMiX302KT16s [14]
В рамках данного исследования была разработана принципиальная схема управления тиристорными модулями
как составной части системы управления цепями коммутации конденсаторных батарей (рис. 4).
+Vdd я 0 -Vdd
SZ:
Микропроцессорный контроллер
ВОЛС
DC/DC
SZ
4
V:
Схема формирования выходного импульса
-О
Драйвер тиристорного модуля
+ #
ОВ
VT1
SEMiX302KT16s
Сз1|| R з1г
VT2
Ф-
it
R ш
Сз2М R з2 г
С
бат
3
- 0
Рис. 4. Принципиальная схема управления подключением батареи конденсаторов
Принцип работы данной схемы следующий. Микропроцессорный
контроллер (МПК) формирует команду на управления тиристорами через промежуточный блок - драйвер тиристорного модуля. Информация о
данной команде передается по волоконнооптической линии связи (ВОЛС), что обеспечивает абсолютную защиту передаваемой информации и работоспособность узлов в условиях мощных электромагнитных помех.
Драйвер тиристорного модуля принимает информацию от МПК и на основании этого формирует
взаимоисключающие сигналы на выходах 4-5. Данные сигналы обеспечивают гарантированное
открытие и запирание тиристоров VT1 и УТ2.
В случае, когда на выходе 4 появляется логическая «1», то на выходе 5 - логический «0». Высокий потенциал с выхода 4 поступает на управляющий затвор тиристора, открывая его. В этом случае батарея конденсаторов подключается
параллельно якорю тягового двигателя, работающего в режиме генератора и начинается ее заряд.
Если на выходе 4 драйвера появляется логический «0», то тиристор VT2 запирается. Одновременно с этим на выходе 5 - появится логическая «1», которая через тиристор VT1 подключит заряженный Сбат к цепи питания тягового двигателя. В этом случае батарея отдает свой заряд на поддержание необходимого пускового момента двигателя.
Элементы Сз1, Яз1, Сз2, Яз2 являются типовыми защитными элементами в тиристорных цепях. Наличие шунта Rш в силовой цепи, позволяет драйверу тиристора фиксировать аварийные режимы и своевременно переводить электронные узлы в защитный режим, и при необходимости оповещать об этом машиниста.
Выводы
Выполнена оценка эффективности рекуперации при использовании емкостного конденсаторного
накопителя энергии, установленного на электропоезде для типового цикла движения внутриагломерационных
электричек, разгон - движение на выбеге - торможение - стоянка. Эффективность рекуперации с использованием импульсных
энергоемких конденсаторов на электропоездах составляет 44%. Предложено схемотехническое решение системы управления тиристорными модулями как составной части системы управления цепями коммутации конденсаторных батарей, системы рекуперации энергии торможения моторвагонного подвижного состава. Анализ работы предложенной схемы показал, что при малых энергетических затратах на управление цепями коммутации батарей конденсаторов в различных режимах работы тяговых двигателей, обеспечивается
перераспределение механической и электрической энергии с целью поддержания высокого
электромагнитного момента на валу двигателя, а также устранения неоправданного расхода электрической мощности на нагрев тормозных реостатов в процессе реостатного торможения.
Список литературы:
1. Стратегия развития холдинга «РЖД» на период до 2030 года. ОАО «РЖД». - [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://doc.rzd.ru/doc/public/ru7STRUCTU КЕ_ГО=704&1ауег^=5104^=6396. -Загл. с экрана (дата обращения 12.11.2020).
2. Евстафьев А. М. Оценка энергоемкости бортового накопителя энергии для тягового подвижного состава / А.М. Евстафьев // Бюллетень результатов научных исследований. -2018. - по. 2. - рр. 7-17.
3. Охотников Н.С. Использование накопителей энергии для повышения
тяговых свойств электровозов / НС. Охотников // Вестник ВНИИЖТ. -2010. - № 5. - С. 33-36.
4. Титова Т.С. Применение накопителей энергии для повышения энергетической эффективности тягового подвижного состава / Т.С. Титова, А.М. Евстафьев, В.В. Никитин // Электротехника. - 2018. - №. 10. -С. 21-25.
5. Шаряков В.А. Возможности рационального использования энергии торможения электрического подвижного состава / В.А. Шаряков, О.Л. Шарякова, А.В. Агунов,
A.В. Третьяков // Электротехника. -
2018. - №. 10. - С. 55-59.
6. Терехов В.М. Системы управления электроприводов: учебник для студ. высш. учеб. заведений /
B.М. Терехов, О.И. Осипов; под ред. В.М. Терехова. - М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 304 с.
7. Пышкин А.А. Методика определения надежности рекуперативного торможения на участке постоянного тока / А.А. Пышкин, Д.В. Лесников // Вестник Уральского государственного университета путей сообщения. -
2019. - №1(41). - С. 54-59.
8. Петрушин Д.А. Повышение эффективности рекуперативного торможения электровозов постоянного тока путем использования в тяговой сети инерционного накопителя энергии со встроенной вентильно-индукторной электрической машиной: дис. ... канд. техн. наук : 05.22.07 / Петрушин Дмитрий Александрович. - Ростов-на-Дону : РГУПС, 2013. - 129 с.
9. Рябко К.А. Резерв экономии энергии моторвагонным подвижным составом / К.А Рябко, В.А. Пьяникин,
А.В. Кочев // «Научно-технические аспекты комплексного развития железнодорожного транспорта» : Материалы VI Международной Научно-практической конференции. - Донецк, Изд-во ДОНИЖТ, 2020. - С. 26-29.
10. Павелчик М. Повышение эффективности электрической тяги при помощи накопителей энергии : дис. . докт. техн. наук : 05.09.03 / Марек Павелчик. - М.: МГУПС, 2000. -449 с.
11 . Штанг А.А. Анализ основных накопителей энергии для
электроподвижного состава / А.А. Штанг, Е.А. Спиридонов, Г.Н. Ворфоломеев // Наука. Технологии. Инновации: материалы Всерос. науч. конференции молодых ученых : в 6 ч. -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. -С. 158-159.
12. Шевлюгин М.В. Ресурсо- и энергосберегающие технологии на железнодорожном транспорте и метрополитенах, реализуемые с использованием накопителей энергии : автореф. дис. ... д-ра техн. наук : 05.09.03 / Шевлюгин Максим Валерьевич. - М.: МГУПС, 2013. - 49 с.
13. Ермаков М. Тиристорные модули для плавного пуска двигателей. Тепловой расчет / М. Ермаков // Элементная база Электроники. - 2013. -№7(00130). - С. 52-62.
14. Электронный ресурс фирменная документация SEMIKRON на тиристорный модуль SEMiX302KT16s. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://shop.semikron.com/out/media/ds/SE MIKRON_DataSheet_Shortf orm_Catalogue_2018_2019_112909 80.pdf. - Загл. с экрана (дата обращения 13.11.2020).
Аннотации:
В статье выполнена оценка эффективности рекуперации при использовании емкостного конденсаторного накопителя энергии, установленного на электропоезде. Разработано схемотехническое решение системы управления тиристорными модулями как составной части системы управления цепями коммутации конденсаторных батарей, системы рекуперации энергии торможения моторвагонного подвижного состава.
Ключевые слова: моторвагонный подвижной состав, рекуперация,
микропроцессорный контроллер, емкостный конденсаторный накопитель, тиристорный модуль.
The article evaluates the efficiency of recuperation when using a capacitive capacitor energy storage installed on an electric train. A schematic solution has been developed for the control system for thyristor modules, as a component of the control system for switching circuits of capacitor banks, a system for recuperating the braking energy of a multi-unit rolling stock.
Keywords. multi-unit rolling stock, recuperation, microprocessor controller, capacitive capacitor storage, thyristor module.
