CC BY
19
УДК 629.01:621.313.
ВАРИАНТЫ СХЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМОЙ ЛЕВИТАЦИИ И ТЯГИ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ
В.В. НИКИТИН, В.М. СТРЕПЕТОВ, А.С. ВОЛЮВАЧ
Петербургский государственный университет путей сообщения
Определены требования, которым должна соответствовать система электроснабжения комбинированной системы левитации и тяги на переменном токе. Выполнен анализ возможных вариантов её исполнения. Осуществлена оценка массо-габаритных показателей основных компонентов системы электроснабжения транспортной установки.
Ключевые слова: система электроснабжения, транспортное средство, магнитный подвес.
Исследования в области высокоскоростного наземного транспорта (ВСНТ) на магнитном подвесе (МП) берут своё начало с 70-х годов ХХ века. Хотя первоначальный оптимизм относительно быстрого и широкомасштабного внедрения ВСНТ в практику коммерческих перевозок в целом не оправдался, исследования в области ВСНТ продолжаются, пожалуй, с не меньшей интенсивностью. Так, в частности, в 2002 году в Китае была введена в коммерческую эксплуатацию пассажирская линия, выполненная на основе технологии МП «Transrapid» между городом Шанхаем и аэропортом Пудонг (протяженность линии 30 км, скорость движения 430 км/час). По сообщениям средств массовой информации в 2007 году в Японии принята программа строительства линии ВСНТ на магнитном подвесе с использованием принципа электродинамической левитации между городами Токио и Осака. Срок завершения программы 2025 год. Источники магнитного поля экипажа -электромагниты, выполненные из высокотемпературных сверхпроводников.
Можно усмотреть определенную корреляцию между подъемами и спадами интереса к ВСНТ со стороны государственных и коммерческих организаций и положением на мировом нефтяном рынке, ценами на нефть и другое энергетическое сырье, господствующими представлениями об изобилии или, напротив, ожидаемом дефиците углеводородного топлива и в целом о сравнительной перспективности традиционной и альтернативной энергетики. В длительной перспективе роль альтернативных источников энергии будет расти как по причине исчерпания запасов природных углеводородов, так и вследствие ужесточения экологических требований. Поэтому исследования в области ВСНТ сохраняют актуальность, причем в будущем можно ожидать ее повышения.
С самого начала разработок систем ВСНТ на МП было предложено несколько различных принципов левитации и тяги, а в рамках каждого принципа - довольно много вариантов и модификаций. Ни один из них не стал бесспорно предпочтительным, в связи с чем проблема отбора наиболее удачных вариантов ВСНТ по-прежнему актуальна. В частности рассматриваемую в статье комбинированную систему левитации и тяги на переменном токе (КСЛТ) [1] по принципу левитации экипажа можно считать разновидностью электродинамического подвешивания (ЭДП), однако КСЛТ совмещает в себе ряд достоинств ЭДП и конкурирующей с ней системы, основанной на принципе
© В.В. Никитин, В.М. Стрепетов, А. С. Волювач Проблемы энергетики, 2010, № 3-4
электромагнитного подвешивания. Вследствие того, что в системе КСЛТ экипажные электромагниты (ЭЭ) питаются переменным током, левитация имеет место при любой скорости движения, включая и нулевую скорость (в отличие от системы ЭДП на постоянном токе, для которой левитация наступает лишь при сравнительно высокой скорости движения). При этом КСЛТ сохраняет такие важные достоинства ЭДП, как большая высота подвеса (100 -150 мм) и естественная вертикальная устойчивость экипажа. Одновременно с функцией левитации КСЛТ обеспечивает и создание силы тяги, что определяет её значительную привлекательность. К недостаткам данной транспортной системы (ТС) следует отнести отсутствие у неё пускового тягового усилия и относительно низкое значение коэффициента мощности.
Для создания пускового усилия в данной ТС необходимо обеспечить как пространственный сдвиг обмоток ЭЭ, так и временной сдвиг между намагничивающими силами этих обмоток. Отмеченные условия, определяющие возникновение пускового усилия в КСЛТ, остаются справедливыми также и в случае использования в данной системе электрического торможения (торможение противовключением).
Выполнение вышеназванных условий можно осуществить двумя способами:
1) путем преобразования исходной переменно-полюсной системы (ППС), образованной обмотками ЭЭ (стационарный режим), в две ППС с одновременным изменением порядка включения обмоток ЭЭ и включением на период пуска последовательно с катушками одной из ППС активных и реактивных элементов -конденсаторный способ пуска и торможения [2];
2) посредством включения в структуру системы энергоснабжения (СЭ) КСЛТ многофункционального статического преобразователя (СП) [3].
Исследования показали [4], что при конденсаторном способе пуска КСЛТ имеют место значительные потери мощности в пусковых сопротивлениях. Величина потребной пусковой (тормозной) ёмкости и сопротивления пускового реостата приводит к ухудшению массо-габаритных показателей ТС. Возможности повышения коэффициента мощности системы при данном способе пуска также сильно ограничены. При этом следует отметить, что в режиме движения с установившейся скоростью магнитное поле, создаваемое ЭЭ, носит пульсирующий характер.
Введение в структуру СЭ электромагнитов экипажа многофункционального СП позволяет не только свести к минимуму потери энергии в пуско-тормозных режимах, но и существенно повысить значение коэффициента мощности транспортной установки (ТУ). Помимо этого, в рамках данного решения возникает возможность применения рекуперативного торможения экипажа, а также возможность обеспечить бегущий характер магнитного поля ЭЭ. При таком характере магнитного поля ЭЭ имеет место улучшение электродинамических характеристик ТУ. Недостатком данного способа пуска является повышенное содержание высших гармонических составляющих в спектре выходного напряжения, что может негативно сказываться на параметрах качества КСЛТ и вредно влиять на питающую сеть.
Для обеспечения эффективности работы КСЛТ во всех режимах работы важно установить оптимальный вариант структурной схемы СЭ транспортного средства. Для решения этой задачи СЭ и её отдельные элементы должны удовлетворять следующим требованиям:
- экономичность и эффективность работы ТС в пуско-тормозных режимах;
- плавность регулирования параметров напряжения питания в широком диапазоне;
- минимальное искажение кривой тока ЭЭ;
- минимальное искажение тока (напряжения) контактной сети;
- возможность осуществления электрического торможения;
- бесперебойность питания ЭЭ;
- получение максимально возможного значения КПД системы;
- возможность наращивания мощности и реконструкции тяговой сети с минимальными капитальными затратами;
- проста и надежность устройств управления.
Удовлетворение перечисленных требований к СЭ в полном объёме представляет сложную технико-оптимизационную задачу. Конечное решение о целесообразности применения того или иного варианта СЭ может быть принято только после детального анализа технико-экономических показателей всех элементов системы. Необходимым условием выполнения подобного анализа является глубокая техническо-экономическая проработка каждого элемента, входящего в рассматриваемую ТС. С учётом уровня исследованности КСЛТ и сложности задач, возникающих при её изучении, представляется оправданным ограничиться на данном этапе рассмотрения качественным анализом вариантов схемы электроснабжения ЭЭ.
Прежде, чем перейти к рассмотрению конкретных вариантов исполнения структурной схемы СЭ, следует отметить, что задача обеспечения бесперебойного питания ЭЭ предполагает не только необходимость в резервировании преобразователей тяговых подстанций (ТП), но также обуславливает потребность в размещении на борту ТУ резервного источника питания (ИРП). Энергоёмкость ИРП должна быть достаточной для обеспечения экстренного торможения экипажа ТУ в случае потери питания от тяговой сети.
Выполненные расчёты позволили установить, что потребная энергоёмкость ИРП для экипажа КСЛТ не превышает значения 300 МДж. В качестве накопителей электрической энергии (НЭЭ) в ИРП могут быть применены емкостные, индуктивные или электрохимические накопители энергии. Современное состояние и перспективы развития НЭЭ позволяет в качестве наиболее предпочтительных вариантов их исполнения в ИРП принять к рассмотрению емкостные или индуктивные накопители энергии. При этом индуктивные накопители энергии могут выполняться либо тороидального, либо цилиндрического типа и предполагают применение криогенного охлаждения.
Заслуживает внимания тот факт, что в настоящее время ведутся активные работы по использованию ИРП на городском электротранспорте и в пригородном железнодорожном транспорте [5], где в качестве НЭЭ предполагается использовать электрохимические конденсаторы. Предварительные оценки массогабаритных параметров ИРП экипажа КСЛТ на основе конденсаторных модулей или сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии указывают на техническую возможность их выполнения. При этом масса ИРП может достигать 15-25% от общей массы экипажа ТУ.
Необходимость применения экипажного ИРП обуславливает наличие звена постоянного тока в схеме СЭ подвижного состава КСЛТ.
Выделим к рассмотрению три варианта исполнения структурной схемы СЭ в зависимости от рода тока и возможностей регулирования параметров напряжения тяговой сети:
1) тяговая сеть постоянного тока с нерегулируемой величиной напряжения;
2) тяговая сеть переменного тока с нерегулируемой величиной и частотой напряжения;
3) тяговая сеть переменного тока с регулируемой величиной и частотой напряжения.
Для всех вариантов схемы СЭ экипажа КСЛТ значение расчётной выходной мощности экипажных статических преобразователей (ЭСП) принимаем равной 3,6 МВА. Данное значение выходной мощности ЭСП учитывает возможность кратковременной перегрузки по мощности и затраты энергии на собственные нужды экипажа при условии, что значение коэффициента мощности установки находится на уровне 0,9.
Первый вариант структурной схемы СЭ (рис. экипажей КСЛТ через тяговую сеть постоянного выпрямительных агрегатов ТП.
1) предполагает питание тока от неуправляемых
Рис. 1. Схема системы электроснабжения КСЛТ от тяговой сети постоянного тока с нерегулируемой величиной напряжения
Преобразователи энергии, осуществляющие управление КСЛТ, в этом случае расположены на экипаже и выполняются в виде автономных инверторов, которые позволяют осуществлять изменение параметров напряжения питания ЭЭ (его величины и частоты).
Для обеспечения минимального искажения выходного напряжения и тока с учётом характера силовой нагрузки (ЭЭ представляют практически идеальную индуктивность), и опираясь на тенденции развития современного тягового электропривода, ЭСП целесообразно выполнять в виде автономных инверторов напряжения (АИН) с широтно-импульсной модуляцией на основе IGBT-модулей с жидкостным охлаждением.
Наличие в схеме АИН обратного выпрямительного моста позволяет без усложнения электрической схемы осуществлять рекуперативное торможение экипажей КСЛТ с возвратом электрической энергии в сеть питания или в экипажный ИРП. Расчёты, выполненные авторами, показывают, что применение рекуперативного торможения в КСЛТ при оптимальной для данной ТУ протяженности маршрутов движения (<100 км) позволяет сократить потребление электрической энергии в системе минимум на 5%. Следует также отметить, что электрическое торможение экипажа целесообразно выполнять в два этапа: первый этап предусматривает применение рекуперативного торможения от
установившейся скорости движения (360 км/час) до скорости, примерно равной 50 км/час, и второй этап - торможение противовключением до полной остановки экипажа. Сочетание этих двух способов торможения позволит осуществлять экономичное и эффективное торможение экипажа.
Для обеспечения динамического и установившегося режима движения ТУ в состав ЭСП в данном варианте схемы СЭ входят два АИН, каждый из которых обеспечивает питание половины ЭЭ: АИН-1 обеспечивает питание ЭЭ с нечетными номерами, а АИН-2 осуществляет питание ЭЭ с четными номерами. При этом выходные напряжения н1 и и2 инверторов могут быть смещены во времени друг относительно друга на требуемый угол, что обеспечивает во всех режимах работы ТУ создание бегущей волны МДС электромагнитов. С целью снижения влияния АИН на питающую сеть в составе схемы электроснабжения следует предусмотреть входной ¿С-фильтр. Размещение преобразовательной аппаратуры и компенсирующих конденсаторов (КК) на борту экипажа приводит в данном случае к росту совокупной массы силового электрооборудования экипажа и к росту его энергопотребления.
Для поддержания значения коэффициента мощности установки на уровне 0,9 при значении напряжения в тяговой сети и=3-5 кВ и частоте / =50 Гц величина ёмкости КК может достигать значения до 10000 мкФ, при этом электрическая мощность батареи КК может составлять значение равное 30 МВАр. Параметры современных компенсирующих конденсаторов [6] позволяют оценить массу батареи КК в 3,4 т, а её объем в 6,8 м3.
Анализ массо-габаритных показателей силовых преобразователей современного электроподвижного состава и линейного привода ВСНТ на МП [7,8] дают возможность прогнозировать массу силового преобразовательного блока КСЛТ в данном варианте схемы СЭ на уровне 350 кг, а объем - на уровне 0,5 м3. Следует отметить, что приведенные значения учитывают лишь массу и размеры силовых ЮБТ-модулей с учётом некоторого вспомогательным оборудования. Представляется, что основной вклад в общую массу и габариты ЭСП даст входной ¿С-фильтр. Принимая во внимание данные, представленные в [8], суммарную массу и габариты ЭСП с учетом параметров входного ¿С-фильтра для первого варианта схемы СЭ можно оценить следующим образом: масса - 2,7...3,0 т, объем -2...2,5 м3.
Рассматриваемый вариант схемы обеспечивает гибкое, независимое управление экипажами и при необходимости облегчает задачу наращивания объемов движения. Наличие звена постоянного тока в бортовой системе преобразования энергии позволяет относительно просто осуществлять питание ЭЭ как от тяговой сети, так и от ИРП. Кроме того, перенесение функций регулирования параметров энергии, питающей ЭЭ, на экипажное оборудование упрощает преобразовательные агрегаты ТП, которые могут выполняться в виде неуправляемых выпрямителей трехфазного тока, что выгодно с точки зрения уменьшения капиталовложений при наращивании мощности подстанций в случае возрастания объемов движения. К достоинствам этого варианта следует также отнести отсутствие потерь напряжения на индуктивностях тяговой сети при питании ее постоянным током и отсутствие поверхностного эффекта в питающих рельсах, что, несомненно, имело бы место в случае тяговой сети переменного тока.
Второй вариант структурной схемы СЭ предполагает питание экипажей КСЛТ через тяговую сеть переменного тока от неуправляемых преобразовательных агрегатов ТП. Преобразователи энергии, осуществляющие управление КСЛТ, в этом случае также располагаются на экипаже и
обеспечивают изменение величины и частоты напряжения (ПЧН). Экипажные ПЧН могут выполняться либо со звеном постоянного тока (рис. 2), либо в виде непосредственных преобразователей частоты.
переменного тока с нерегулируемой величиной и частотой напряжения
В соответствии с устоявшимися тенденциями развития современного тягового электропривода более предпочтительным является исполнение ПЧН с промежуточным звеном постоянного тока.
В рассматриваемом случае принципиальная схема СЭ должна содержать входной четырехквадрантный преобразователь (4q-S преобразователь) и два выходных АИН. Данный вариант схемы СЭ обеспечивает все режимы работы установки (тяговый, рекуперативное торможение и торможение противовключением) и способен обеспечивать высокие показатели энергопотребления (в частности, коэффициент мощности, равный единице, даже при отсутствии компенсирующих конденсаторов). Однако компенсация реактивной мощности 4q-S преобразователем осуществляется за счет энергии, накопленной во входном реакторе (ВР), запасаемая энергия которого должна быть согласована с реактивной энергией нагрузки. В данном случае для ЭЭ отношение ш Ьн/ Ян «100 . Это означает, что запасаемая энергия, масса и габариты входного реактора при отсутствии компенсирующих конденсаторов будут весьма велики. По этой причине, несмотря на способность 4q-S преобразователя обеспечивать коэффициент мощности, равный единице, представляется целесообразным сохранить в этом варианте схемы КК, которые должны обеспечивать значение коэффициента мощности нагрузки на уровне 0,7-0,9. Массогабаритные показатели ЭСП для рассматриваемого варианта СЭ можно оценить величинами: масса 3000 кг, объем 7 м3 [9].
Размещение ЭСП на экипаже обеспечивает независимость управления подвижным составом и упрощает оборудование ТП. Наличие звена постоянного тока позволяет использовать в структурной схеме ИРП. Однако структура ЭСП по сравнению с первым вариантом существенно усложняется, возрастают масса и габариты бортового оборудования. Кроме того, питание тяговой сети переменным током будет создавать дополнительную потерю напряжения на ее индуктивных сопротивлениях.
Третий вариант структурной схемы СЭ предполагает питание ЭЭ через тяговую сеть переменного тока, причем задачи регулирования напряжения и
частоты тяговой сети возлагаются на оборудование ТП. В структурной схеме (рис. 3) преобразователи ТП выполняют регулирование как величины, так и частоты напряжения тяговой сети.
Рис. 3. Схема системы электроснабжения КСЛТ от тяговой сети переменного тока с регулируемой величиной и частотой напряжения
Такое решение максимально упрощает и облегчает бортовое преобразовательное оборудование, так как позволяет подключать ЭЭ напрямую к тяговой сети. Для получения бегущей волны МДС электромагнитов тяговая сеть должна выполняться двухфазной, что обуславливает наличие трёх скользящих токосъемов. Заряд ИРП от сети переменного тока может осуществляться, например, через АИН-1, а его разряд на ЭЭ при экстренном торможении противовключением в случае потери питания от тяговой сети - через АИН-1 и АИН-2. Принципиально заряд и разряд ИРП может выполняться и с использованием только одного АИН, но в этом случае для перехода в режим торможения противовключением потребуется переключение ЭЭ, что существенно увеличит время включения резервного питания, поэтому такое решение представляется мало приемлемым вариантом. Суммарная мощность двух АИН и ИРП в данном варианте СЭ, по сравнению с её первым вариантом, меньше последней лишь на величину мощности собственных нужд экипажа.
Несмотря на то, что преобразовательные агрегаты ТП при данном варианте СЭ существенно усложняются, они работают в стационарных условиях, защищены от атмосферных воздействий и более удобны для обслуживания, чем экипажные. К недостатку третьего варианта схемы СЭ следует отнести её малую гибкость управления: так в случае нахождения на линии одновременно нескольких экипажей при питании от единой тяговой сети экипажи смогут работать только в одинаковых режимах движения. Этот недостаток, впрочем, может быть компенсирован путем секционирования тяговой сети при условии, что в пределах одной секции может располагаться только один экипаж. Поскольку протяженность маршрутов КСЛТ, как уже отмечалось, относительно небольшая (до 100 км), то и число ТП, питающих такую линию, будет невелико (от двух до четырех), поэтому для секционирования тяговой сети целесообразно вынести преобразовательные агрегаты с ТП на промежуточные питающие пункты, связанные единой продольной питающей линией. Это позволит уменьшить мощность стационарных агрегатов до мощности бортовых, если в пределах секции в любой момент времени будет находиться один экипаж.
Движение экипажа по участку может сопровождаться изменениями условий движения, поэтому при выполнении СЭ по схемам, представленным на рис. 3, следует обеспечить надежный канал передачи информации с экипажа на подстанцию или промежуточный питающий пункт о текущих условиях движения.
Приняв за основные критерии сравнения вариантов схемы СЭ кратность преобразования энергии, массу и габариты основных элементов экипажного электрооборудования, можно получить следующие результаты (см. таблицу).
Таблица
Сравнительные характеристики вариантов схем электроснабжения КСЛТ
Виды основного оборудования Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3
Кратность преобразовательной структуры 1 2 0 (1)*
Масса входного дросселя, кг 2 000 2 000 нет
Число скользящих контактов токосъемного узла 2 2 3
Масса тягового преобразователя, кг 350 3000 нет
Масса преобразователя ИРП, кг нет нет 350
Масса компенсирующих конденсаторов, кг 3 400 3120** 3 400
Суммарная масса основного оборудования, кг 5 750 8 120 3 750
Объем преобразователя, м3 0,5 7,0 0,5
Объем компенсирующих конденсаторов, м3 6,8 6,2** 6,8
Суммарный объем основного оборудования, м3 7,3 13,2 7,3
*) - при питании от тяговой сети (при питании от ИРП); **) - при компенсации коэффициента мощности до значения 0,7.
Выполненный анализ вариантов схемы электроснабжения КСЛТ на переменном токе позволяет прийти к следующим выводам:
1. В наибольшей степени необходимым требованиям, предъявляемым к схеме СЭ электромагнитов, отвечают первый (СЭ от тяговой сети постоянного тока с нерегулируемой величиной напряжения) и третий (СЭ от тяговой сети переменного тока с регулируемой величиной и частотой напряжения) варианты её исполнения.
2. Для сравнительно небольших маршрутов движения (до 10-20 км) наиболее рациональным представляется использование третьего варианта схемы СЭ, в котором основное преобразовательное оборудование находится на ТП.
3. Для маршрутов движения в диапазоне 70 - 100 км наиболее предпочтительным является использование первого варианта схемы СЭ, в котором основное преобразовательное оборудование находится на экипажах КСЛТ.
Summary
The certain requirements to which A.C. levitation and traction combined system power supply must correspond are defined. The analysis of possible variants of its performance is realized. The estimation of mass-gabarit factors of system base component is executed.
Key words: the system of electric supply, vehicle, magnetic suspension.
Литература
1. Байко А.В., Кочетков В.М. Система левитации и тяги на переменном токе // Изв. вузов Электромеханика. 1985. №11. С. 40-47.
2. Байко А.В., Хожаинов А.И. Конденсаторный способ пуска ВСНТ с комбинированной системой левитации и тяги на переменном токе // Электричество. 1991. №4. С. 21-25.
3. Устройство тяги на переменном токе транспортного средства / А.И. Хожаинов, В.А. Милютин, Г.Е. Середа, В.М. Стрепетов. Свидетельство на полезную модель. №11513 от 16. 10. 1999.
4. Стрепетов В.М. Определение параметров пуско-тормозного устройства комбинированной системы левитации и тяги на переменном токе // Изв. вузов Электромеханика. 2008. №4. С. 21-24.
5. Варакин И.Н., Менухов В.В. Использование электрохимических конденсаторов ЗАО «ЭСМА» на железнодорожном транспорте // Материалы третьего международного симпозиума «Eltrans-2005» 15-17 ноября 2005 года ПГУПС, СПб: 2007. С. 141-150.
6. Film Capacitors - Power Factor Correction. EPCOS AG 2008. Каталог продукции. www.epcos.com.
7. Современная силовая электроника в схемах тяговых преобразователей // Железные дороги мира. 2006. №4.
8. Транспорт с магнитным подвесом / Под ред. Бочарова В.И., Нагорского В.Д. М.: Машиностроение, 1991. 320 с.
9. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями / А.М. Солодунов, Ю.М. Иньков, Г.Н. Коваливкер, В.В. Литовченко. Рига: Зинатне, 1991. 352 с.
Поступила в редакцию 30 октября 2009 г.
Никитин Виктор Валерьевич - д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой "Электромеханические комплексы и системы" Петербургского государственного университета путей сообщения (ПГУПС). Тел.: 8 (812) 457-83-98; 8 (812) 310-98-11. E-mail: [email protected], [email protected].
Стрепетов Владимир Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры "Электромеханические комплексы и системы" Петербургского государственного университета путей сообщения (ПГУПС). Тел.: 8 (812) 457-83-98; 8 (812) 310-98-11.
Волювач Александр Сергеевич - инженер кафедры "Электромеханические комплексы и системы" Петербургского государственного университета путей сообщения (ПГУПС). Тел.: 8 (812) 457-83-98; 8 (812) 310-98-11; 8 (812) 719-24-02. E-mail: [email protected].
