Разработка и исследование системы электроснабжения железнодорожного вагона повышенной комфортности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Силаев, Федор Анатольевич

• Силаев, Федор Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Силаев, Федор Анатольевич

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 Объект исследования и постановка задач диссертационной работы.

1.1 Обзор существующих систем электроснабжения железнодорожных вагонов локомотивной тяги.

1.1.1 Автономная система электроснабжения.

1.1.2 Смешанная система электроснабжения.

1.1.3 Централизованная система электроснабжения с вагоном-электростанцией.

1.1.4 Централизованная высоковольтная система питания.

1.2 Анализ известных автономных систем электроснабжения пассажирских вагонов локомотивной тяги.

1.2.1 Первые системы электроснабжения на основе генератора переменного тока.

1.2.2 Системы электроснабжения, используемые в современности.

1.3 Цель и определение задач диссертационной работы.

1.4 Выводы.

2 Разработка системы электроснабжения железнодорожного вагона повышенной комфортности.

2.1 Структура системы электроснабжения.

2.2 Статический преобразователь силового канала.

2.3 Преобразователь для питания ОВ ИГ.

2.4 Аккумуляторные батареи.

2.5 Основные вагонные потребители.

2.6 Выводы.

3 Синтез САУ системы электроснабжения.

3.1 Функционирование системы в целом.

3.2 Работа контура напряжения ИГ.

3.3 Система управления основного ОС-ОС-преобразователя.

3.3.1 Синтез 2-х контурной САУ ОС-ОС-преобразователем БРН.

3.3.2 Учет нелинейностей преобразователя и измерительных погрешностей системы управления.

3.3.3 Экспериментальная проверка результатов.

3.4, Выводы.

4 Оптимизация режима работы разработанной системы электроснабжения и целью снижения тепловыделений.

4.1 Алгоритм бесстыкового управления ОС-ОС.

4.2 Расчет потерь в БРН.

4.2.1 Расчет потерь выпрямителя.

4.2.2 Расчет потерь ОС-ОС.

4.3 Расчет по минимизации потерь в БРН-32.

4.4 Выводы.

5 Разработка тепловой модели преобразователя и проведение исследований на модели.

5.1 Необходимость разработки тепловой модели.

5.2 Обзор методов математического моделирования тепловых процессов в электротехнических устройствах (ЭТУ).

5.2.1 Метод эквивалентных тепловых схем замещения.

5.2.2 Компьютерное моделирование на основе методов численного расчета.

5.3 Выбор метода моделирования.

5.4 Создание модели радиатора ЭТУ в среде АпБув 1серак и проведение расчета температур радиатора.

5.4.1 Основные сведения по интерфейсу Ашув 1серак.

5.4.2 Создание модели в Ашув 1серак.

5.5 Проверка адекватности модели.

5.6 Рекомендации к построению тепловых моделей радиатора в среде Icepak.

5.7 Исследование тепловой модели БРН-32.

5.7.1 Радиатор БРН-32.

5.7.2 Рабочий режим п/п элементов.

5.7.3 Исследование режима работы БРН-32 от сети 380 В 50 Гц.

5.7.4 Исследование режима работы БРН-32 во время движения поезда.

5.7.5 Исследование режима работы БРН-32 при низких температурах ОС.

5.7.6 Итоги исследования тепловой модели БРН-32.

5.8 Исследование радиатора с вертикальными ребрами и тепловыми трубами в качестве охладителя БРН-32.

5.8.1 Теп л овые тру бы.

5.8.2 Поиск оптимальной конструкции радиатора с тепловыми трубами.

5.8.3 Исследование радиатора с вертикальными ребрами и тепловыми трубами при работе БРН-32 от сети 380В50Гц.

5.8.4 Исследование радиатора с вертикальными ребрами и тепловыми трубами при работе БРН-32 во время движения поезда.

5.8.5 Исследование радиатора БРН-32 с вертикальными ребрами и тепловыми трубами при низких температурах ОС. Оценка требуемой мощности подогрева.

5.9 Выводы.

6 Методика проектирования силового преобразователя для разработанной системы электроснабжения.

6.1 Выбор компонентов выпрямителя.

6.2 Выбор компонентов DC-DC.

6.2.1 Проектирование дросселя одного канала преобразователя.

6.2.2 Выбор п/п модулей канала DC-DC.

6.3 Проектирование радиатора преобразователя.

6.4 Применение разработанной методики. Создание и внедрение БРН-32.

6.5 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование системы электроснабжения железнодорожного вагона повышенной комфортности»

Диссертационная работа посвящена разработке и исследованию системы электроснабжения железнодорожного пассажирского вагона повышенной комфортности.

Среди существующих видов транспорта железнодорожный во многих промышленно развитых странах занимает ведущее место. В России общая протяженность железных дорог находится на втором месте в мире и составляет около 87 тысяч километров [13]. Более 80% пассажирских перевозок в стране осуществляется железной дорогой. По данным на первый квартал 2010 г. пассажиропоток РЖД составил 24,6 миллиарда пассажиро-километров [33].

Для обеспечения комфорта пассажиров в пассажирских железнодорожных вагонах устанавливают специальное электрооборудование: кондиционер, электрокалорифер, кипятильник и др. Питание данного электрооборудования осуществляется системой электроснабжения собственных нужд вагона.

Исторически сложилось, что наиболее распространенными системами электроснабжения в России являются автономная или смешанная системы электроснабжения (см. гл. 1). Это означает, что для питания вагонных потребителей электрическая энергия вырабатывается непосредственно в вагоне, подвагонным генератором, приводимым во вращение колесной парой. Распространение автономной системы электроснабжения объясняется наличием в России огромной длины неэлектрифицированных железных дорог и отсутствием тепловозов, имеющих возможность выдавать необходимое высокое напряжение в вагонную магистраль.

Автономная система электроснабжения, применяемая в (в частности на вагонах постройки ОАО «Тверской Вагоностроительный Завод») имеет ряд недостатков:

1. Для того чтобы начать питание потребителей и заряд аккумуляторной батареи (АКБ) требуется, чтобы вагон разогнался до скорости около 35 км/ч (напряжение генератора к этой скорости достигнет необходимой величины). Данный недостаток является наиболее критичным с точки зрения обеспечения комфорта пассажиров, так как он означает, что во время стоянок и при движении поезда на низких скоростях вагонные электропотребители вынуждены получать питание от АКБ, при этом мощные потребители должны быть отключены.

2. Из-за большой инерционности цепи возбуждения генератора и наличия в ней гистерезиса, оказывается сложным поддерживать выходное напряжение на желаемом уровне и обеспечивать оптимальный для аккумулятора ток заряда.

Указанные недостатки обусловлены тем, что в данной системе выпрямленное напряжение генератора напрямую поступает на нагрузку и АКБ, а регулируется лишь током возбуждения генератора (более подробно схема рассмотрена в п. 1.2.2).

В настоящий момент в РЖД поставлена задача повышения уровня комфортности пассажирских перевозок. В то же время и частные перевозчики стараются привлечь пассажиров повышенным уровнем комфорта в своих вагонах.

В диссертационной работе решается задача создания системы электроснабжения, способной обеспечить больший уровень комфорта для пассажиров по сравнению с прототипами. Работа выполнялась в рамках проекта по созданию нового - «интеллектуального» вагона локомотивной тяги путем модернизации эксплуатирующихся вагонов и усовершенствования ныне строящихся вагонов. При этом в новом вагоне должны широко применяться информационные сетевые технологии и современная электроника.

Оборудование данного пассажирского вагона, в том числе и система электроснабжения должны обеспечить новые характеристики, позволяющие повысить уровень комфорта для пассажиров. Среди основных требований к разрабатываемой системе следующие:

- обеспечение стабильности напряжения питания в более широком диапазоне изменения скоростей поезда для бесперебойной работы системы вентиляции и кондиционирования вагона;

- продление ресурса АКБ за счет наличия стабильного напряжения, устанавливаемого в функции температуры АКБ, и ограничения тока заряда АКБ.

В работе рассматриваются вопросы разработки структуры новой системы электроснабжения, энергетически оптимальных алгоритмов управления системой, синтеза САУ для разработанной системы, обеспечивающей необходимую точность регулирования напряжения заряда АКБ и на вагонной нагрузке. Кроме того, рассматриваются вопросы методики проектирования статических преобразователей для разработанной системы и подобных систем. В рамках рассмотрения этих вопросов созданы модели тепловыделений статического преобразователя системы, а также тепловые модели, предназначенные для исследования температурных режимов преобразователя при различных скоростях движения поезда и температурах окружающей среды.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Силаев, Федор Анатольевич

Выводы

1. Разработана методика проектирования преобразователей для разработанной системы электроснабжения. Методика была использована при разработке блока БРН-32.

2. Создан блок БРН-32, вошедший в состав комплекта электрооборудования КВИНТ-ЭВ, разработки АВП Технология. БРН-32 успешно эксплуатируется на 24 вагонах, курсирующих по ряду направлений на территории России.

Тема диссертационной работы обусловлена актуальным направлением в развитии подвижного состава РЖД — созданием «интеллектуального» вагона локомотивной тяги путем модернизации эксплуатирующихся вагонов и усовершенствования ныне строящихся вагонов. Оборудование данного пассажирского вагона, в том числе и система электроснабжения должны обеспечить новые характеристики, позволяющие повысить уровень комфорта для пассажиров.

Целью диссертационной работы является создание системы электроснабжения железнодорожного вагона, обеспечивающей повышенный уровень комфорта для пассажиров.

В соответствии с поставленной целью на основании результатов проведенного анализа существующих систем электроснабжения пассажирских вагонов были определены задачи диссертационной работы:

1. разработка системы электроснабжения железнодорожного вагона и алгоритмов ее работы, обеспечивающих эффективный отбор мощности от генератора и заряд АКБ в расширенном диапазоне скоростей движения вагона;

2. синтез САУ статических преобразователей системы электроснабжения вагона для обеспечения устойчивой работы и получения необходимой точности регулирования;

3. разработка математической модели преобразователей системы с целью исследования их температурных режимов при различных скоростях движения поезда и широком диапазоне изменения температуры окружающей среды (от -50 °С до +50 °С);

4. разработка методики проектирования силовых преобразователей для подобных систем электроснабжения.

В соответствии с целью диссертационной работы сформулированы требования к разрабатываемой системе электроснабжения пассажирского вагона. На основании этих требований определены функции разрабатываемой системы и ее состав. Разработана структура системы электроснабжения железнодорожного вагона локомотивной тяги, основным отличием которой от прототипов является наличие импульсного преобразователя напряжения.

Разработан алгоритм двухзонного управления преобразованием энергии в функции скорости поезда, обеспечивающий стабилизацию выходного напряжения на пониженной скорости движения.

Синтезирована структура САУ БРН: с релейным регулятором выпрямленного напряжения ИГ и двухконтурной системой подчиненного регулирования выходного напряжения импульсного статического преобразователя с астатическим регулятором выходного напряжения, обеспечивающая устойчивость и требуемую точность регулирования выходного напряжения.

При синтезе системы регулирования импульсного преобразователя постоянного напряжения потребовалось отойти от классического [16], [50], [49] алгоритма управления DC-DC по причине наличия в цепях управления ключами зоны нечувствительности, проявляющейся при переходе между режимами повышения и понижения напряжения. Был разработан смешанный алгоритм коммутации ключей DC-DC-преобразователя БРН, обеспечивающий линеаризацию характеристики вход-выход DC-DC. Проведен анализ работы DC-DC-преобразователя в таком режиме, выявлены зависимости между токами, напряжениями и скважностями работы силовых ключей.

На основе выявленных зависимостей, характеризующих работу преобразователя со смешанным алгоритмом коммутации, разработана математическая модель для определения потерь в преобразователе в зависимости от его режима работы.

На примере БРН-32 показано, как разработанная математическая модель используется для оптимизации тепловыделений в преобразователе путем поиска оптимального значения и^пот.

Обоснована необходимость проведения детального исследования охладителя при создании преобразователя, предназначенного для эксплуатации в РЖД и расположенного под железнодорожным вагоном, необходимо проводить детальное исследование его охладителя. Проведен обзор методов математического моделирования процессов теплоотдачи при нагреве радиатора ЭТУ, который показал, что использование программного комплекса Атув 1серак, реализующего метод конечных элементов и ориентированный на решение задач проектирования ЭТУ, для исследования охладителя преобразователя удобнее и проще, чем использование метода эквивалентных схем замещения. Комплекс был изучен и разработана методика построения математических моделей охладителей статических преобразователей в среде 1серак. Адекватность полученных моделей проверена экспериментально.

С помощью разработанных математических моделей исследован радиатор БРН-32 с горизонтальными ребрами. В процессе исследования было установлено, что БРН-32 пригоден к эксплуатации только в умеренном климатическом поясе. Рассмотрен ряд мер по расширению области работы блока. Исследование показало, что использование радиатора с вертикальными ребрами тех же габаритов совместно с тепловыми трубами позволяет в 1,6 раза увеличить допустимую выходную мощность при работе на стоянке и температуре окружающей среды 50 °С. При этом, цепь подогрева мощностью

1 кВт позволяет обеспечить безопасную работу преобразователя при низких температурах окружающей среды, начиная от -50 °С.

На основе проведенных исследований составлена методика проектирования преобразователей для разработанной системы электроснабжения.

Практическим результатом исследований стало создание блока БРН-32 для пассажирских вагонов повышенной комфортности, который вошел в состав комплекта электрооборудования КВИНТ-ЭВ, разработки предприятия «АВП Технология». На блоке выполнен комплекс исследований и испытаний, отлажено программное обеспечение, проверена адекватность моделей. БРН-32 запущен в производство и установлен в эксплуатацию на 24 вагонах, курсирующих по ряду направлений на территории России.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Силаев, Федор Анатольевич, 2010 год

1. Абрамович М. И., Бабайлов В.М., Либер В. Е. и др. Диоды и тиристоры в преобразовательных установках / М. И. Абрамович, В. М. Бабайлов, В. Е. Либер, А. А. Санкович, В. Л. Шпер. М.: Энергоатомиздат, 1992. — 432 е., ил.

2. Анисимов В. А., Горнов А. О., Москаленко В. В. и др. Проектирование электротехнических устройств: учебное пособие для студентов / В. А. Анисимов, А. О. Горнов, В. В. Москаленко, В. Н. Остриров, А. А. Фролов. М.: Издательство МЭИ, 2001. -128с., ил.

3. Анучин А. С., Силаев Ф. А. Блок регулирования напряжения для автономной системы электроснабжения пассажирских вагонов поездов дальнего следования / А. С. Анучин, Ф. А. Силаев // Конференция «Силовая Электроника»: сборник материалов М.,2009.-С. 31-33.

4. Баклунд Б. Выбор класса напряжения силовых полупроводников / пер. с англ. А. Чекмарева. — URL:http://www.fmccrustel.ru/catindex.php?cid=284. Дата обращения: 10.03.2010.

5. Гомола Г. Г., Корольков В. А. Централизованное электроснабжение пассажирских поездов: современное состояние и перспективы развития / Г. Г. Гомола, В. А. Корольков // Вестник ВНИИЖТ. М.: 1997. - №2. - С. 41-47.

6. Горбачев Г. Н., Чаплыгин Е. Е. Промышленная электроника: учебник для вузов / под ред. В. А., Лабунцова. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 320 е., ил.

7. Грищенко А. В. Электрические машины и преобразователи подвижного состава: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / А. В. Грищенко, В. В. Стрекопытов. М.: Издательский центр «Академия», 2005. —320 е., ил.

8. Дан П. Д., Рей Д. А. Тепловые трубы / пер. с англ. Ю. А. Зейгарника. М.: Энергия, 1979. - 272 е., ил.

9. Железнодорожные вагоны: введение в дисциплину. URL: http://www.vagoni-jd.ru/. Дата обращения: 2.02.2010.

10. Железнодорожный транспорт. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/ Железнодорожныйтранспорт. Дата обращения: 10.01.2010.

11. Железнодорожный транспорт: энциклопедия / гл. ред. Н. С. Конарев. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. 559 е., ил.

12. Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники: учебник. -Новосибирск: НГТУ, 1999. 4.1. 199 е., ил.

13. Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники: учебник. -Новосибирск: НГТУ, 2000. 4.2. 197 е., ил.

14. Ильинский, Н. Ф. Основы электропривода: учебное пособие для вузов по направлению 551300 Электротехника, электромеханика и электротехнологии / Н. Ф. Ильинский. — 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство МЭИ, 2003. - 224 с.

15. Ильинский Ю. А. Разработка системы управления электроснабжением диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук пассажирских вагонов / Ю. А. Ильинский. М., 2006. - 187 с.

16. Калинкин Е. И. Новое поколение аккумуляторных батарей для пассажирских вагонов / Е. И. Калинкин. URL: http://www.css-rzd.m/vestnik-vniizht/v2002-l/vl-7.htm. Дата обращения: 5.02.2010.

17. Кирьянов Д. В. Самоучитель Mathcad И. СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 560 е., ил.

18. Ключев В. И. Теория электропривода: учебник для вузов / 2-е изд. перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1998. - 704 е., ил.

19. Колпаков А. И. IGBT: инструкция по эксплуатации, или об уважительном отношении к силовой электронике / А. И. Колпаков. // Силовая Электроника. 2007. - №1. - С. 17-26.

20. Кочин Н. Е., Кибель И. А., Розе Н. В. Теоретическая гидродинамика / под ред. И. А. Кибеля. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1963. — 584 е., ил.

21. Корнев А. Н., Аникеев И. П. Устройство и обслуживание аккумуляторных батарей / А. Н. Корнев, И. П. Аникеев // Локомотив. М.: 2003. - №1. - С. 24-27.

22. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена / Изд. 5-е, перераб. и доп. М.: Атомиздат, 1979. - 416 с.

23. Магнитопроводы ГАММАМЕТ. URL: http://www.gammamet.ru/ru/magn.htm. Дата обращения: 5.04.2010.;

24. Орлёнок В. В., Курков А. А., Кучерявый П. П., и др. Физическая география: учебное пособие / под ред. В. В. Орлёнка. -Калининград: ГИПП «Янтарный сказ», 1998. 480 с.

25. Остриров В. Н. Проектирование электронных преобразователей для регулируемых электроприводов: учебное пособие / В. Н. Остриров. М.: Издательский дом МЭИ, 2008. - 72 е., ил.

26. Остриров В. Н., Силаев Ф. А. Разработка источника питания для железнодорожного вагона с автономной системой электроснабжения / В. Н. Остриров, Ф. А. Силаев // Электрика. -М.: Наука и технологии, 2009. №8. - С. 22-24.

27. Остриров В. Н. Разработка и исследование системы оптимального управления процессом подъема ковша экскаватора-драглайна на выгрузку: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / В. Н. Остриров. М., 1980. - 221 е., ил.

28. Остриров В. Н. Создание гаммы электронных преобразователей для электропривода на современной элементной базе: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук / В. Н. Остриров. М., 2003. - 319 е., ил.

29. Павлов JI. Н. Тенденции в развитии пассажирского вагоностроения за рубежом / Л. Н. Павлов. // Железные дороги мира. М.: 2006. - №10. - С. 46-50.

30. Пассажиропоток упал на четверть за квартал /Lenta.ru. — URL: http://lenta.ru/news/2010/04/06/rzhd/. Дата обращения: 10.04.2010.

31. Пат. 44084 U1 РФ, МПК7 В 60 L 1/00. Комплекс электроснабжения пассажирского вагона.

32. Ребик Б. Н., Гомола Г. Г. Модель С. Н. Электрооборудование пассажирских вагонов с кондиционированием воздуха / под. ред. Б. Н. Ребика. М.: Транспорт, 1986. - 165 е., ил.

33. Розанов Ю. К. Основы силовой электроники. М.: Энергоатомиздат, 1992. - 296 е.: ил.

34. Роуч, П. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980. — 618 с.

35. Справочник по высшей математике / А. А. Гусак, Г. М. Гусак, Е. А. Бричикова. Мн.: Тетра Системе, 1999. - 640 с.

36. Тверской вагоностроительный завод: путь из прошлого в будущее / гл. ред. В. А. Гапанович. // Техника железных дорог. М.: AHO «Институт проблем естественных монополий», 2008. — №4. - С. 51-56.

37. Хрусталев Д. А. Аккумуляторы. М.: Изумруд, 2003. - 224 е., ил.

38. Шатова И. В. Разработка методики поверочного расчета вентильного индукторного двигателя с последовательной обмоткой возбуждения: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / И. В. Шатова. М., 2007. — 193 с.

39. Электрические и электронные аппараты: учебник для вузов / под ред. Ю. К. Розанова. М.: Информэлектро, 2001. - 420 е., ил.

40. Computational fluid dynamics. URL: http:// en. wikipedia. org/wiki/ ComputationalFluidDynamics. Дата обращения: 10.04.2010.

41. Finite element method. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Finiteelementanalysis. Дата обращения: 10.04.2010.

42. Icepak 4.2 user's guide / Fluent inc. Cavendish Court, 2005. - 1 CD-ROM.

43. Icepak 4.2 tutorial guide / Fluent inc. Cavendish Court, 2005. - 1 CD-ROM.

44. IGBT and MOSFET power modules: Application Handbook. URL: http://www.semikron.com/skcompub/en/applicationmanual-193.htm. Дата обращения: 2.04.2010.

45. Mohan, N., Undeland, Т. M., Robbins W. P, Power Electronics: Converters, Applications and Design. N-Y.: John Wiley & Sons, 1995. - 802 p.

46. Power electronics handbook / editor-in-chief M. H. Rashid. San Diego: Academic Press, 2001. - 895 p., ill.

47. SKM300GB063D data sheet. URL: http ://www. semikron. com/products/data/cur/assets/SKM300GB063D 22890054.pdf. Дата обращения: 10.03.2010.