Електромеханічний перетворювач енергії інерційного накопичувача для мереж тягового електропостачання

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Омеляненко Галина Вікторівна

УДК.621.313.29:311.61:629.4.082.3

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ ЕНЕРГІЇ ІНЕРЦІЙНОГО НАКОПИЧУВАЧА ДЛЯ МЕРЕЖ ТЯГОВОГО ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ

Спеціальність 05.09.01 - Електричні машини і апарати

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 1999



Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Харківському державному політехнічному університеті Міністерства освіти України.

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент Бондаренко Володимир Омелянович, Харківський державний політехнічний університет, завідувач кафедри передач електричної енергії.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Дудник Михайло Захарович, Донецький державний технічний університет, завідувач кафедри електричних машин;

кандидат технічних наук, доцент Говоров Пилип Парамонович, Харківська державна академія міського господарства, доцент кафедри електропостачання.

Провідна установа - Інститут електродинаміки НАН України, м. Київ.

Захист дисертації відбудеться "17" лютого 2000 р. о 14.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.08 у Харківському державному політехнічному університеті за адресою: 310002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного політехнічного університету.

Автореферат розісланий "24" грудня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Болюх В.Ф.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Прагнення до часткового або повного розподілу в часу вироблення та споживання електроенергії, як одному з радикальних засобів підвищення ефективності роботи всіх без винятку електроенергетичних систем, зумовило тенденцію доведення в майбутньому значної кількості електроенергії до споживача через накопичувачі

Для тягових мереж електрофікованих залізниць та метрополітенів, в яких рівні навантажень змінюються і в яких ,в той же час, існують вимоги забезпечення високих якісних показників енергії, ця тенденція найбільш актуальна. Наприклад, в міських транспортних засобах біля 65% енергії від всієї кількості ,що споживається, витрачається на їхнє прискорення. Значить, після цього вона майже повністю буде розсіяна при гальмуванні. Очевидно, що запасіння та зберігання цієї енергії у накопичувачі з метою повторного її використання призведе до зменшення первинного споживання на електрогенеруючих уствновках, зниженню витрат сировини, зменшенню шкідливих викидів, а отже, до забезпечення більш екологічно чистого режиму з боку електричного транспорту до навколишнього середовища.

Актуальність теми. Не дивилячись на те, що багато хто з дослідників вживали спроби адаптувати до роботи в тягових мережах в якості накопичувачів хімічні акумуляторні батареї, ємнісні батареї, надпровідні індуктивні котушки, реалізувати вдалося тільки лише накопичувач інерційного типу.

Однак застосування в якості інерційних накопичувачів енергії електричних машин традиційної конструкції обмежується механічною міцністю ротора, необхідністю в приладах трансмісії, бо для отримання прийнятних параметрів кутова швидкість маховиків повинна бути значно вище, ніж у існуючих електричних машин, втратами на тертя.

В той же час успіхи, досягнуті на сьогодняшній день в області створення перспективних супермаховиків, приладів безконтактного електромеханічного перетворення енергії, а також приладів магнітного підвісу створюють реальні передумови для синтезу инерційних накопичувачів з якісно новими експлуатаційними властивостями. Незважючи на те, що такі накопичувачі вже застосовуються для засобів ракетно-космічної техніки а також технології електромагнітного прискорення, питання раціонального вибору типів, конструкцій, електрофізичних та геометричних параметрів окремих систем цих накопичувачів ще далекі від досконалості. З цієї точки зору, задачі, рішенню яких присвячена дисертація представляються актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження дисертаційної роботи зв'язані з темою М 3708 "Розробка теоретичних основ моделювання електромеханічних накопичувачів", що проводилася згідно п. 69 Координаційного плану науково-дослідних робіт "Наукові основи вдосконалення, передачі і використання електроенергії", який затверджено Міністерством освіти України (Протокол № 37 від 13.02.97 р., № держ. реєстрації 0197U001922).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка і дослідження системи електромеханічного перетворення енергії інерційного накопичувача для тягових електричних мереж, концепція створення якого базується на перспективних енергетичних і транспортних технологіях.

Для досягнення цієї мети вирішувались наступні задачі:

на базі аналізу і зіставлення вимог, що подаються до накопичувачів режимами роботи тягових мереж, та конструкторсько-технологічних передумов, зумовлених наявними вже сьогодні технічними рішеннями, виробити концепцію створення інерційного накопичувача енергії з високого рівня електрофізичними та масо-габаритними показниками;

створити для визначальних вузлів системи електромеханічного перетворення енергії накопичувача математичні моделі, що адекватно відбивають електрофізичні процеси, які мають місце у накопичувачі в режимах акумулювання та видачі їм енергії;

використовуючи математичні моделі, шляхом цифрового моделювання конкретного накопичувача, встановити закономірності впливу основних геометричних та електромагнітних параметрів на функціональні властивості системи електромеханічного перетворення енергії в різноманітних режимах роботи накопичувача;

розробити технічні пропозиції з створення інерційного накопичувача для використання його в конкретній системі електропостачання - тягової мережі метрополітену.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

проведен комплекс аналітичних досліджень передумов створення системи електромеханічного перетворення енергії, системи магнітного підвісу та системи керування перспективного інерційного накопичувача енергії;

розроблена концепція створення перспективного інерційного накопичувача енергії як сукупності системи електромеханічного перетворення енергії - машини постійного струму з тиристорним комутатором, системи електромагнітного підвісу та системи керування;

створена математична модель, системи електромеханічного перетворення енергії накопичувача, що базується на енергетичному підході, і яка дозволяє шляхом цифрового моделювання , аналізувати вплив геометричних та електрофізичних параметрів накопичувача на різноманітні режими його роботи;

введене поняття кутової характеристики системи електромеханічного перетворення енергії накопичувача, що дає можливість оцінити залежність електромагнітної сили взаємодії між ротором і статором від куту навантаження і швидкості обертання ротору та впливати на процеси обміну енергією між об'єктами тягової мережі;

створена математична модель процесу комутаціі струму в обмотці якоря системи електромеханічного перетворення енергії, що базується на реальній, з урахуванням куту навантаження, картині зміни в часу ЕРС фази, в якій відбувається комутація;

отримані результати дослідження впливу геометричних та електромагнітних параметрів на характер процесу комутаціі і на рівень номіналів елементної бази комутаторів;

обґрунтована необхідність вибору діапазону швидкості обертання ротора накопичувача, виходячи з умов задовільної комутації.

Практичне значення отриманих результатів полягає в:

розробці програмно-алгоритмічного комплексу для вибору геометричних та електромагнітних параметрів основних вузлів системи електромеханічного перетворення енергії інерційного накопичувача;

визначенні рівня впливу різноманітних параметрів системи електромеханічного перетворення енергії на властивості накопичувача в різноманітних режимах його роботи;

виробленню технічних пропозицій з створення інерційного накопичувача для тягової мережі метрополітену, включаючих: вибір направлення функціонування накопичувача, де його застосування дасть очевидний ефект; рекомендації по вибору максимальної та мінімальної частоти обертання ротору накопичувача.

Результати дисертаційної роботи передані Харківському метрополітену в вигляді "Технічних пропозицій з застосування інерційного накопичувача з метою економії електроенергії в тяговій мережі Харківського метрополітену", що використані в якості вхідних даних для технічного завдання інституту Харьковметропроект на розробку проекту тягових підстанцій Олексіївської лінії для варіанту використання рекуперируючого електрорухомого складу (Акт про впровадження від 26.08.1999 р.)

Особистий вклад спошуковача. В спільних наукових працях по темі дисертації спошукачеві належить: в [1] ідеї використання електричної машини в якості накопичувача, в [8] обгрунтування необхідності використання накопичувача для вирівнювання напруги тягової мережі, в [7] схема заміщення та математична модель системи, в [3] математична модель, результати цифрового моделювання та аналіз тестової задачі, в [9] ідея використання в якості комутатора інвертора мостового типу.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, наведених у дисертації були докладені на 5-ти республіканських наукових конференціях: "Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика", г Алушта, 1997, 1999 г.; "microCAD. Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье", г. Харьков, 1996 г.; "Силовая электроника в решении проблем ресурсо- и энергосбережения", г. Алушта, 1996 г.; на международной научно-технической конференции UEES'97, г. Алушта, 1997 г.; а також на семінарі "Напівпровідникові і микропроцесорні прилади в електроенергетичних системах транспорту" Наукової Ради НАН України по комплексним проблемам наукових основ електроенергетики, 1998, 1999 р. р.

Публікації. По результатах дисертації є 10 публікацій, з них 2 у вигляді статей в наукових журналах, 4 в збірках наукових праць та 4 в матеріалах і тезах конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновку, списку джерел ,що використалися, і одного додатку. Повний обсяг дисертації містить 170 сторінок, в тому числі 127 сторінок основного тексту та 61 ілюстрацію на 27 сторінках, 9 таблиць, список джерел ,що використалися, з 108 найменувань займає 10 сторінок, додаток на 1 сторінці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

інерційний накопичувач енергія

У вступі обґрунтована актуальність теми, вказаний її зв'язок з науковими програмами, сформульовані мета і задачі досліджень, показані наукова новизна і практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі з різноманіття всіх відомих типів накопичувачів енергії, що можуть бути використані у електроенергетиці, виділена група, яка найбільш підходить для застосування у мережах тягового електропостачання. Приводяться міркування, в відповідності з якими з виділеної групи визначений в якості об'єкту досліджень інерційний електромеханічний накопичувач енергії. Вказується направлення його досліджень.

Аналіз літературних даних свідчить про те, що для роботи в мережах тягового електропостачання можуть бути використані чотири типа накопичувачів: електрохімічний, ємнісний, надпровідний індуктивний, а також інерційний елктромеханічний. Показане, що кожний з цих типів володіє як цілою низкою переваг, так і певним набором недоліків. Коректний вибір найбільш раціонального типу накопичувача передчасний, бо в питанні використання розглядуваної технології для мереж тягового електропостачання сьогодні йдеться, в основному, доки про проекти. Наведені в них цифри, що характеризують питомі енергетичні та потужнісні параметри накопичувачів різноманітного типу, взяті, як правило, з досвіду експлуатації цих приладів в системах, режими і умови роботи яких важко зіставити з їхньою роботою у системах тягового електропостачання.

Тим не менше, була віддана перевага інерційному електромеханічному накопичувачу енергії, виходячи з такого показника, як ступінь погодження його характеристик з характеристиками об'єктів тягової мережі - і в електричному рухомому складі і в накопичувачеві енергетичні процеси носять електромеханічний характер. Єдиний відомий нам на сьогодняшній день приклад реального використання спробних зразків саме інерційного електромеханічного накопичувача енергії для тягової мережі електропостачання приміського сполучення в Японії підтверджує правомірність такого вибору.

Застосована при створенні згаданих зразків, як і для електромеханічних накопичувачів, що живлять електрофізичні установи, агрегатно-компіляційна тенденція, що полягає в простому зєднанні між собою окремих агрегатів ,що визначають масо-габаритні параметри накопичувача (маховика, електричних машин, їх підшипникових вузлів, муфт), істотно знижує питомі енергетичні і потужнісні показники накопичувачів такого типу.

В той же час технічний прогрес в області створення перспективних супермаховиків, приладів безконтактного електромеханічного перетворення енергії і магнітного підвісу зумовив реальні передумови для розробки та створення інерційних електромеханічних накопичувачів з максимально інтегрованими функціональними системами в обмежене число конструктивних вузлів, а отже, з істотно більш високими техніко-економічними показниками.

Ці міркування і визначили мету а також задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі формулюються вимоги, що подаються до накопичувачів тяговими мережами, аналізуються технічні передумови та викладається концепція створення перспективного інерційного електромеханічного накопичувача енергії.

Для тягової мережі необхідні накопичувачі з: запасеною енергією (3590)106 Дж; потужністю (15)106 Вт; напругою 7503000 В; тривалістю розрядного або зарядного імпульсу 830 с.

При цьому вони повинні: мати високі питомі енергетичні і потужнісні показники; мати гарне регулювання, яке припускає можливість забезпечити якомога більш широкий діапазон зміни частот обертання маховика у розрядному та зарядному циклах, а також можливість забезпечити стабільність в часу серії імпульсів енергії, що видаються або що споживаються, і до того ж ще мінімальний час реверсу енергії; забезпечувати максимальне число можливих циклів зарядження і розрядки без зниження якості енергії та потужності; мати високий рівень надійності та ККД.

Технічні передумови створення такого накопичувача ми шукали: - в галузі створення перспективних маховиків, як слідства оптимального поєднання їхньої форми та матеріалу; - в галузі створення систем безконтактного електромеханічного перетворення енергії та магнітного підвісу; - в галузі компоновочних рішень для накопичувачів такого роду, що використаються в якості джерел енергії космічних літальних апаратів та засобів спеціальної техніки.

Схема конструкції накопи-чувача наведена на рис. 1. В якості акумулятора прийнятий кільцевий безвальный маховик, суміщений з ротором електричної машини. Він має безконтактний електромагнітний підвіс відносно статора. На внутрішній поверхні маховика містяться высококоерцитивні постійні магніти 2. Тут же містяться феромагнітні якоря 3 систем підвісу та бокового направлення. Всі ці елементи бандажуються композитним высокоміцним матеріалом 1. Коаксиально ротору розташується статор 4 з обмоткою якоря 5, електромагнітами підвісу 6 та бокового направлення 7. Вся конструкція розташовуеться у вакуумному кожусі 8. Накопичувач функціонує як сукупність трьох систем: електромеханічного перетворення енергії, електромагнітного підвісу та керування.

Предметом наших досліджень є система електромеханічного перетворення енергії. Для неї прийнята машина постійного струму з тиристорним комутатором. Від вентильної машини традиційного виконання її відрізняють дві особливості. Перша полягає в тому, що комутація струму в якорных обмотках здійснюється винятково в примусовому порядку. Друга - в тому, що обмотка якоря та тиристорний комутатор розбиті на ряд послідовно включених блоків, кожний з яких містить частину обмотки та інвертор мостового типу.

Схема такої машини наведена на рис. 2. Індуктор 1 являє собою змінно-полюсную магнітну систему, яка розташована на маховику. Обмотка якоря складається з окремих секцій - котушок, крок яких рівний полюсному діленню . Суміжні котушки, зєднуясь зустрічно, утворюють n фаз обмотки якоря 2. Фази зміщуються по колу статора одна відносно другої з кроком /n і кожна k та k+n фази вмикаються в навантаження однофазних інверторів струму 3, які, в свою чергу, з'єднуються послідовно.

В такій машині сила взаємодії магнитів індуктора зі струмом якоря, а отже, величина і направлення електромагнітного моменту, визначаються як

,

де Fm - максимальна сила, xik - координата, що характеризує положення індуктора відносно фази якорной обмотки у момент, коли в ній відбувається комутація якорного струму (кут навантаження).

Таким чином, у системі електромеханічного перетворення енергії інерційного накопичувача, яка виконана у вигляді машини постійного струму з тиристорним комутатором, є можливість зміною xik за рахунок вибору моменту примусової комутаціі струму в фазах якорной обмотки регулювати силу від +Fm до -Fm і, отже, впливати на режими роботи та характеристики накопичувача.

У третьому розділі приводиться математична модель електромеханічного перетворення енергії в накопичувачі. Для конкретно вибраного об'єкту шляхом цифрового моделювання досліджуються робочі властивості цього накопичувача в різноманітних можливих режимах його роботи у складі тягової мережі.

При укладанні математичної моделі відправними були три обставини. Перше - за базу взяті рівняння, що описують перехідні процеси в машині постійного струму. Друге - враховувалися такі особливості конструкції ,що досліджується, як: - відсутність в магнітному ланцюзі феромагнетиків та сковзного електричного контакту; - відносно велике значення повітряного зазору між ротором та статором; - використання для системи збудження постійних магнитів; - відсутність як привідного двигуна так і механізмів, які приводяться до обертання. Третє - була проведена заміна: - постійного магніту рамкою зі струмом, периметр якої дорівнював периметру магніта, а МРС визначалася з рівності енергії магніту та заміненої рамки зі струмом; - реальної конструктивної ротативної схеми - лінійною, як це показане на рис. 2 б.

Виходячи з викладеного, математична модель системи електромеханічного перетворення енергії інерційного накопичувача має наступний вигляд:

Тут uа, iа - миттєві значення напруги та струму якоря; rа, L - активний опір та індуктивність якоря; V - лінійна швидкість ротора; J - момент інерції; Rcp - середній радіус кільцевого маховика;

- МРС еквівалентної котушки збудження; - товщина магнита; Br - остаточная індукція; F і E - узагальнені геометричні чинники. Останні визначаються наступними формулами:

,

.



Тут wфа - число витків в котушці фази обмотки якоря, 2р - число полюсів, Мsa - коефіцієнт взаємоіндукції котушки обмотки якоря та еквівалентної котушки збудження, l - число котушок якоря, що враховується при розрахунку Мsa, к - порядковий номер фази обмотки якоря, m - число крапок усреднення на інтервалі [xik, xik+/n], q - число паралельних гілок обмотки якоря.

В якості об'єкту для цифрового моделювання нами був прийнятий накопичувач, що забезпечує енергію обміну 90106 Дж з тяговою мережею номінальною напругою 1500 В в течії 10 секунд потужністю 3000 кВт і струмом 2050 А при її видаванні, а також потужністю 1800 кВт і струмом 1260 А при її акумулюванні. Маховик такого накопичувача зовнішнім діаметром 1.8 м, внутрішнім - 1.2 м, висотою 1 м повинен обертатися в межах 1273 - 3082 об/хвил. Електромеханічне перетворення енергії при цьому забезпечує двополюсна машина постійного струму з тиристорним комутатором з чотирьма фазами обмотки якоря при еквівалентній МРС обмотки збудження 2.5104 А.

Запропоноване обмін енергією між накопичувачем та тяговою мережею аналізувати за допомогою кутової характеристики F (xik).

Сила при постійності МРС збудження IS визначається градієнтом взаємоіндукції та струмом, що протікає в обмотці якоря ia . В свою чергу, останній при постійності напруги живлення залежить від ЕРС, що визначається лінійною швидкістю руху ротора V і тим же градієнтом взаємоіндукції

; ; .

Таким чином, струм якоря iа немов би має дві складові: постійну, що визначається напругою тягової мережі та не залежить від частоти обертання ротора, і змінну - що визначається ЕРС.

Побудована для різноманітних швидкостей руху ротора при зміні Xik в межах від - до кутова характеристика об'єкту ,що досліджується, міститься у II,III та IV квадрантах осей кординат (рис. 3). Додатне значення сил відповідає руховому режиму роботи нако-пичувача, коли електрична енергія відбирається від мережі і акумулюється у вигляді кінетичної енергії обертання ротора (II квадрант). Відємне значення сил відповідає генераторному режиму роботи накопичувача, коли кінетична енергія обертання ротора перетворюється в електричну, що віддається в тягову мережу (III та IV квадранти).

Розглядалася кутова характеристика лише у II та III квадрантах, бо характеристика у IV квадранті відповідає режиму гальмування ротора при противмиканні, який не можна вважати робочим для схеми тягового електропостачання.

При малих обертах розглядувана характеристика повністю міститься у II квадранті, тобто при будь-якому Xik сила має додатне значення - руховий режим. Ротор прискорюється і накопичувач акумулює кінетичну енергію. При низьких обертах максимум сили, оскільки змінна складова струму мала, визначається максимумом градієнту взаємоіндукції, що має місце при Xik=-/2.

По мірі збільшення швидкості обертання ротора змінна складова струму в обмотці якоря зроста, а сумарний струм, оскільки в цих квадрантах постійна та змінна його складові діють зустрічно, зменшується. Це призводить до зниження максимуму сили тяги, його раздвоєнню, а також до зміщення знов освічених максимумів до кордонів полюсного ділення.

Нарешті, при досягненні ротором швидкості обертання VМ.О. =100,8 м/с додана до обмотки якоря напруга врівноважиться ЕРС, змінна та постійна складові якорного струму взаємно скомпенсуються і електромагнітна сила стане рівною 0. Ротор буде обертатися з постійною швидкістю і мати так звану енергію "мертвого обсягу" (VМ.О.. - швидкість "мертвого обсягу"). Це та енергія, до якої може розрядитися накопичувач при заданому рівні напруги в мережі.

Подальше збільшення швидкості обертання ротора призводить до переваження змінної складової струму в якорі над постійною і, як слідство цього, переходу кутової характеристики з II до III квадранту. Таким чином, збільшення частоти обертання ротора до швидкості вище VМ.О. зв'язане з появою у накопичувачі деякого обсягу так званої "обмінної енергії", що може видаватися в мережу при відємному значенні електромагнітної сили - в генераторному режимі роботи накопичувача.

Показані з допомогою кутової характеристики властивості накопичувача, що пропонується, демонструють можливість гнучкого відсліджування та керування процесом обміну енергією між накопичувачем та тяговою мережею.

Цифрове моделювання об'єкту дослідження в системі тягового електропостачання проводилося в трьох режимах: - режимі акумулювання енергії при живленні напругою мережі; - режимі акумулювання енергії при живленні обмотки якоря струмом рекуперуючого електропотяга; - режимі розряду накопичувача на тягове навантаження при розгоні електропотяга.

Встановлене, що в режимі акумулювання при живленні від тягового перетворювача розгін ротора до швидкості "мертвого обсягу" по схемі регулювання напруги відбувається за 16 с з ККД, що змінюється в межах 0.610,95. Для схеми з регульованим опором в ланцюзі якоря, цей час складає 12 с, а ККД - 0.300,51. Показана можливість шляхом регулювання куту навантаження підтримувати практично незмінною напругу в тяговій мережі як в режимах акумулювання накопичувачем енергії від рекуперуючого електрорухомого складу, так і в режимі видачі енергії на потяг, що розганяється.

Четвертий розділ присвячений дослідженню процесу комутаціі струму в обмотках якоря системи електромеханічного перетворення енергії накопичувача, що пропонується.

Для аналізу процесу переключення струму у фазах обмотки (рис. 4) прийняте, що ЕРС в фазі, що комутує, визначається у відповідності з формулою

,

де Xikk - кут комутації, зв'язаний з кутом навантаження слідуючим чином:

- для двигуна,

- для генератора

Було введене також поняття струму комутаціі i - струму, що протікає через відсікаючі діоди що відмикаються і, отже, що змінюється від 0 до струму фази Id. На базі цих двох передумов створена математична модель процесу комутаціі, що описує зміну струмів та напруг в усіх елементах фази на різних етапах.

При увімкнених тиристорах Th1 та Th2 та протеканні струму через фазу обмотки в напрямку, означеному на рис. 4, комутація починається з увімкнення тиристорів Th2 і Th3. Напруга конденсаторів С1 і С2 прикладається до тиристорів Th1 та Th2 і вимикає їх. Конденсатори С1 та С2 розряджаються струмом . Коли напруга на діодах D2 і D3 стане рівною 0, вони відкриваються і через них починає протікати струм комутації i. Електромагнітні процеси в фазі, що комутує, будуть описуватися рівняннями:

.

Як тільки конденсатори С1 і С2 перезарядяться, струм, що протікає в фазі, що комутує, змінить свій напрямок, і діоди D1 та D4 замкнуться напругою . Один з типових результатів цифрового моделювання процесу комутації наведений на рис. 5.

В ході цифрового моделювання процесів комутації досліджувався вплив на ці процеси геометричних та електромагнітних параметрів системи електромеханічного перетворення енергії, а також виявлялася оцінка можливості забезпечення прийнятних умов комутації струму в якорній обмотці зразка накопичувача, що досліджується, в усіх можливих режимах його роботи.

Знайдене, що геометричні та електромагнітні параметри, хоча і в різному ступені, але все ж виявляють істотний вплив на протікання процесу комутації. Найбільш відчутно відбивається на часу протікання коммутаційного процесу, а також на рівні напруг на елементах тиристорного комутатора такі параметри як ємність комутаційного конденсатора, число фаз обмотки якоря, кут комутаціі. В меншій мірі значущі - величина струму фази обмотки якоря та швидкість руху індуктора.

Встановлено, що у всьому діапазоні енергетичних показників розглянутому в попередньому розділі для накопичувача, що досліджується, при ємності комутаційного конденсатора 200 мкФ час власне комутації складає (1.51,7)10-3 с, а напруга на відсікаючих діодах 2.54,4 кВ. Ці цифри свідчать про можливість забезпечити в такій машині задовільне протікання процесу комутації.

У п'ятому розділі викладаються технічні пропозиції з створення інерційного накопичувача енергії для тягової мережі метрополітену.

Тут, передусім, з трьох можливих напрямків функціонування накопичувача у складі тягової мережі Харківського метрополітену, де його застосування дасть найбільший ефект, виділене направлення, зв'язане з акумулюванням і повторним використанням енергії, що виділяється в гальмових резисторах, при сповільненнях рухомого складу. Нами в процесі експлуатації були зняті залежності електричних потужностей від часу що споживаються при розгоні і що виділяються при гальмуванні потягів на різноманітних дільницях усіх трьох ліній Харківського метрополітену. Вони показали, що для виконання згаданої функції на тягових підстаціях потрібен накопичувач з максимальною енергією обміну 25106 Дж, що в течії 100 с міг б сприймати електроенергію струмом до 500 А при напрузі 825 В і видавати її в тягову мережу в певні інтервали часу струмом 750 А при тій же напрузі.

Параметри накопичувача, що вибираються, розбиті на три групи: перша - група параметрів, визначає інерційний елемент накопичувача; друга - систему електромеханічного перетворення енергії; третя - систему електромагнітного підвісу.

До першої групи параметрів відносяться геометричні розміри ротора - радіус внутрішній R1, радіус зовнішній R2, висота кільця h, а також максимальне значення лінійної швидкості обертання V. Зв'язок їх з енергією має вигляд

,

- відносна радіальна товщина кільця.

Встановлено, що вибір параметрів другої групи, в основному, визначається максимальною та мінімальною швидкостями обертання ротора накопичувача. Отримано вираз для максимально допустимої швидкості накопичувача

,

де tКТ - час відновлення властивостей тиристора,

вЗК - ширина зони комутації.

Знайдене, що з всього спектру електромагнітних параметрів (МРС магнітів збудження, зазор між якорем і індуктором, геометричні розміри котушок якоря і еквівалентної котушки збудження) найбільш ефективним засобом зниження мінімальної швидкості ротора накопичувача (швидкості "мертвого обсягу") є збільшення числа витків у котушках обмотки якоря. Проблеми, зв'язані при цьому з ускладненням процесів комутації, можуть бути зняті збільшенням числа фаз обмотки якоря, а отже, і числа тиристорних комутаторів.

Параметри третьої групи - параметри системи електромагнітного підвісу - визначалися, виходячи з необхідності при даному зазорі досягнути зусиль підвісу і бокового направлення на рівні FП= (1.352,2) gmр, FН= (0.250,5) gmр (mр - маса ротора, g - прискорення вільного падіння).

Конфігурація, основні розміри та електромагнітні навантаження системи електромагнітного підвісу та направлення знаходились з співвідношення

,

де B - індукція в повітряному зазоре;

S - сумарна площа полюсів одиничних магнітів;

KВ - коефіцієнт, що враховує выпучення магнітного потоку.

В підсумку, накопичувач, що пропонується, являє собою циліндр діаметром 1240 мм, висотою 1100 мм, у середині якого обертається ротор масою 530 кг в інтервалі частот 40608335 об/хвил.

Електромеханічне перетворення енергії здійснюється двополюсною шестифазною машиною з еквівалентною МДР збудження 1.25104 А.

Безконтактний підвіс та бокове направлення ротора забезпечується 12 електромагнітами з МРС 9,4103 А.

У додатку наведений акт від 26 серпня 1999 р. про впровадження результатів дисертаційної роботи в Харківському метрополітені.



ВИСНОВКИ

1. На основі аналізу літературних джерел проведене зіставлення електрохімічного, ємнісного, надпровідного індуктивного, а також електромеханічного інерційного накопичувачей, яке показало, що з перерахованих типів найбільш прийнятним для використання у тягових мережах постійного струму міського та приміського електричного транспорту є електромеханічний інерційний накопичувач енергії.

2. В підсумку аналітичних досліджень визначені показники і сформульовані вимоги, яким повинні відповідати такі накопичувачі для ефективного виконання своїх функцій, а також встановлена проблематичність задоволення цих вимог при використанні для створення таких накопичувачів традиційних технологій.

3. Аналіз технічних рішень в таких областях сучасних енергетичних та транспортних технологій як перспективні супермаховики і прилади безконтактного електромеханічного перетворення енергії виявив наявність в достатньому обсязі передумов для створення основних функціональних блоків і конструктивних вузлів перспективного електромеханічного інерційного накопичувача енергії, що задовольнить вищесформульованим вимогам.

4. На базі аналізу і зіставлення вимог, що подаються до накопичувачів режимами роботи тягових мереж, і конструкторсько-технологічних передумов, створених наявними вже сьогодні технічними рішеннями в галузях перспективних енергетичних і транспортних технологій, вироблена концепція створення інерційного накопичувача з акумулятором механічної енергії у вигляді кільцевого безвального маховика, який виконує водночас функції індуктора електромеханічного перетворювача енергії - звернутій машині постійного струму з тиристорним комутатором, та має безконтактний електромагнітний підвіс відносно розміщеної на статорі обмотки якоря.

5. Шляхом перетворення реальної схеми накопичувача з ротором, що обертається, в рівнозначну схему з лінійним переміщенням індуктора відносно якоря, а також заміни постійного магніта збудження прямокутною котушкою з еквівалентною МРС, отримана математична модель системи електромеханічного перетворення енергії накопичувача, що дозволяє шляхом цифрового моделювання аналізувати вплив геометричних та електрофізичних параметрів накопичувача на різноманітні режими його роботи.

6. Введене поняття кутової характеристики системи електромеханічного перетворення енергії накопичувача, що дозволяє оцінити залежність електромагнітної сили взаємодії між ротором та статором накопичувача від куту навантаження і швидкості обертання ротора, і завдяки цьому впливати на процеси обміну енергією між об'єктами тягової мережі.

7. Встановлене, що в режимі акумулювання накопичувачем енергії при живленні від тягового перетворювача розгін ротору до швидкості "мертвого обсягу" по схемі регулювання напруги відбувається з більш високою ефективністю перетворення енергії, ніж по схемі з регульованим опором в ланцюзі якоря, хоча і з більшими витратами часу. Показані також можливості впливу на такі показники цього режиму як гранично можливе значення енергії ,що запасається накопичувачем, час акумулювання і ККД.

8. Встановлене, що як в режимах акумулювання накопичувачем енергії від рекуперуючого електрорухомого складу, так і в режимі видачі енергії на потяг, що розганяється, є можливість шляхом регулювання куту навантаження системи електромеханічного перетворення енергії, що пропонується, підтримувати практично незмінною напругу в тяговій мережі.

9. Розроблена математична модель процесу комутаціі струму в фазах обмотки якоря системи електромеханічного перетворення енергії, що дає можливість враховувати реальну з урахуванням куту навантаження картину зміни в часу ЕРС фази, що комутує. Ця модель являє собою систему диференціальних рівнянь, що зв'язує зміну в часу напруги на коммутаційному конденсаторі, а також зміну струму комутаціі зі всіма електромагнітними та геометричними параметрами накопичувача.

10. Шляхом цифрового моделювання знайдене, що геометричні і електромагнітні параметри хоча і в різному ступені, але всеж виявляють істотний вплив на процес комутаціі. Найбільш відчутно відбивається на часі комутаційного процесу, а також на рівні напруг на елементах тиристорного комутатора такі параметри як ємність комутаційного конденсатора, число фаз обмотки якоря, кут комутаціі. В меншій мірі значущі рівень струму фази обмотки якоря та швидкість руху індуктора.

11. Розроблені технічні пропозиції з створення електромеханічного накопичувача для мети акумулювання і повторного використання енергії, що виділяється в гальмових резисторах при сповільненнях електрорухомого складу метрополітену. Накопичувач, що пропонується, може бути без особливих проблем встановлений в приміщенні будь-якої підстанції метрополітену. Це дасть можливість економити до 8.5% електроенергії, що споживається на тягу поїздів.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Омельяненко В.И., Бондаренко В.Е., Омельяненко Г.В. Накопители энергии - эффективное средство энергосбережения в системах тягового электроснабжения // Вестник Харьковского государственного политехнического университета.- 1999.- Вып. 58.- С. 64-65.

2.Омельяненко Г.В. Угловая характеристика электромеханического инерционного накопителя энергии // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - 1999.- Вып. 61. - С.283-285.

3.Омельяненко В.И., Омельяненко Г.В. Математическая модель системы электромеханического преобразования энергии инерционного накопителя с кольцевым ротором в тяговой сети. // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте.- 1998.- № 5.- С.65-69.

4.Омельяненко Г.В. Математическая модель процесса коммутации. Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - 1999 .-Вып.59.- С.14-15.

5.Омельяненко Г.В. Инерционный накопитель энергии для тяговой сети метрополитена. // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - 1999 .-Вып.65.- С.34-37.

6.Омельяненко Г.В. Выбор основных параметров инерционного накопителя для тяговой сети метрополитена. // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте.- 1999.- № 2.- С.18-21.

7.Омельяненко В.И., Волчуков Н.П., Омельяненко Г.В. Влияние типа линейного двигателя на эффективность электромеханического преобразования энергии при отборе ее от электромашинного агрегата с инерционным накопителем // Труды конф. с междунар. участием "Проблемы автоматизированного электропривода".- Харьков.-Основа.-1996.-С.212-213.

8.Бондаренко В.Е., Омельяненко Г.В. Выбор типа накопителя в системе электроснабжения железнодорожного транспорта // Труды международной начно-технич. конф. "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье" (microCAD96).-Часть 1.- Харьков: ХГПУ.-1996.-С.109.

9.Омельяненко В.И., Бондаренко В.Е., Омельяненко Г.В. Инвертор тока в качестве коммутатора электромеханического накопителя в системе тягового электроснабжения // Труды Междунар. конф. "Силовая электроника в решении проблем ресурсо- и энергосбережения".-Харьков: Основа.-1996.-С.31-32.

10.Омельяненко Г.В. Концепция электромеханического накопителя энергии с кольцевым ротором. // Proc. 3rd International Scientific and Technical Conferenc UEES'97 .- Szczecin.- 1997.- Vol.2.- P. 355-360.



АНОТАЦІЯ

Омеляненко Г.В. Електромеханічний перетворювач енергії інерційного накопичувача для мереж тягового електропостачання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.01-електричні машини і апарати. - Харківський державний політехнічний університет, Харків, 1999.

Дисертація присвячена розробці та дослідженню системи електромеханічного перетворення енергії інерційного накопичувача для тягових електричних мереж, концепція створення якого базується на перспективних енергетичних та транспортних технологіях. Розроблена концепція створення перспективного інерційного накопичувача з електромеханічним перетворювачем енергії у вигляді машини постійного струму з тиристорним комутатором. Створена математична модель цієї машини, яка дозволяє аналізувати вплив параметрів накопичувача на різноманітні режими його роботи. Введено поняття кутової характеристики, що оцінює вплив кута навантаження на процеси обміну енергією між обєктами тягової мережі. Створена математична модель процесу комутації струму у обмотці якоря за допомогою якої досліджено вплив параметрів на рівень номіналів елементної бази комутаторів. Результати надані Харківському метрополітену, де вони використані при розробці перспективних тягових підстанцій.

Ключові слова: інерційний накопичувач, тягова мережа, електромеханічний перетворювач енергії, тиристорний комутатор, кутова характеристика.



SUMMARY

Omelyanenko G.V. Electromechanical energy converter of flywheel storage for traction power supply networks. -Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 05.09.01 - electrical machines and devices.- Kharkiv State Polytechnical University, Kharkiv, 1999.

The thesis is devoted to development and investigation of a system of electromechanical energy converter of flywheel storage for traction power supply networks, the development conception of which is based on prospective power and transport technologies. The conception of a prospective flywheel storage with an electromechanical energy converter in the form of DC machine with a thyristors commutator is elaborated. A mathematical model of this machine which enable to analyze flywheel storage parameters influence on various models of its work is created. The notion of an angle characteristic evaluating load angle influence on processes of energy exchange among traction networks objects is introduced. A mathematical model of current commutation process in the armature winding is created and used to investigate the parameters influence on the nominal values level of the element base of the commutator. The results are given to the Kharkiv Underground where they are used for developing prospective traction substations.

Key words: flywheel storage, traction networks, electromechanical converter, thyristor commutator, angle characteristic.



АННОТАЦИЯ

Омельяненко Г.В. Электромеханический преобразователь энергии инерционного накопителя для сетей тягового электроснабжения.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.01 - электрические машины и аппараты. - Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 1999.

Диссертация посвящена разработке и исследованию системы электромеханического преобразования энергии инерционного накопителя для тяговых электрических сетей, концепция создания которого базируется на перспективных энергетических и транспортных технологиях.

На основе анализа литературных источников проведено сопоставление электрохимического, емкостного, сверхпроводящего индуктивного, а также электромеханического инерционного накопителей, которое показало, что из перечисленных типов наиболее приемлемым для использования в тяговых сетях постоянного тока городского и пригородного электрического транспорта является электромеханический инерционный накопитель энергии. В итоге аналитических исследований определены показатели и сформулированы требования, которым должны соответствовать такие накопители для эффективного выполнения своих функций, а также установлена проблематичность удовлетворения этих требований при использовании для создания таких накопителей традиционных технологий. Анализ технических решений в таких областях современных энергетических и транспортных технологий как перспективные супермаховики и устройства бесконтактного электромеханического преобразования энергии выявил наличие в достаточном объеме предпосылок для создания основных функциональных блоков и конструктивных узлов перспективного электромеханического инерционного накопителя энергии, удовлетворяющего сформулированным требованиям. На базе анализа и сопоставления требований, предъявляемых к накопителям режимами работы тяговых сетей, и конструкторско-технологических предпосылок, созданных имеющимися уже сегодня техническими решениями в области перспективных энергетических и транспортных технологий, выработана концепция создания инерционного накопителя с аккумулятором механической энергии в виде кольцевого безвального маховика, выполняющего одновременно в системе электромеханического преобразования энергии - обращенной машине постоянного тока с тиристорным коммутатором - функции индуктора, имеющего бесконтактный электромагнитный подвес относительно размещенной на статоре обмотки якоря.

Путем преобразования реальной схемы накопителя с вращающимся ротором в равнозначную схему с линейным перемещением индуктора относительно якоря, а также замены постоянного магнита возбуждения прямоугольной катушкой с эквивалентной МДС, получена базирующаяся на энергетическом подходе математическая модель системы электромеханического преобразования энергии исследуемого накопителя, позволяющая путем цифрового

моделирования анализировать влияние геометрических и электрофизических

параметров накопителя на различные режимы его работы. Введено понятие угловой характеристики системы электромеханического преобразования энергии накопителя, позволяющее оценить зависимость электромагнитной силы взаимодействия между ротором и статором от угла нагрузки и скорости вращения ротора и тем самым воздействовать на процессы обмена энергией между объектами тяговой сети. Установлено, что в режиме аккумулирования накопителем энергии при питании от тягового преобразователя разгон ротора до скорости мертвого объема по схеме регулирования напряжения происходит с более высокой эффективностью преобразования энергии, чем по схеме с регулируемым сопротивлением в цепи якоря, хотя и с большими затратами времени. Показаны также возможности влияния на такие показатели этого режима как предельно возможное значение запасаемой накопителем энергии, время аккумулирования и КПД. Установлено, что как в режимах аккумулирования накопителем энергии от рекуперирующего электроподвижного состава, так и в режиме выдачи энергии на разгоняющийся поезд имеется возможность путем регулирования угла нагрузки предлагаемой системы электромеханического преобразования энергии поддерживать практически неизменным напряжение в тяговой сети. Разработана математическая модель процесса коммутации тока в фазах обмотки якоря системы электромеханического преобразования энергии, дающая возможность учитывать реальную с учетом угла нагрузки картину изменения во времени ЭДС коммутирующей фазы. Эта модель представляет собой систему дифференциальных уравнений, связывающую изменение во времени напряжения на коммутирующем конденсаторе, а также изменение тока коммутации - тока, протекающего через отпирающиеся диоды, со всеми электромагнитными и геометрическими параметрами накопителя. Путем цифрового моделирования найдено, что геометрические и электромагнитные параметры хотя и в разной степени, но все же оказывают существенное влияние на протекание процесса коммутации. Наиболее ощутимо сказывается на времени протекания коммутационного процесса, а также на уровне напряжений на элементах тиристорного коммутатора такие параметры как емкость коммутирующего конденсатора, число фаз обмотки якоря, угол коммутации. В меньшей мере значимы величина тока фазы обмотки якоря и скорость движения индуктора.

Результаты переданы Харьковскому метрополитену, где использованы при разработке перспективных тяговых подстанций.

Ключевые слова: инерционный накопитель, электромеханический преобразователь, тиристорный коммутатор, угловая характеристика.

Размещено на Allbest.ru

...