Главная Случайная страница


Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






Аналіз режиму рекуперації електричної енергії як складової ресурсозбереження

 

Найбільша складова потенціалу енергозбереження припадає на гальмівні втрати або на кінетичну енергію, яку має кожна рухома одиниця перед початком гальмування і яка в процесі гальмування витрачається на нагрівання резисторів гальмівного реостата та тертя у механічних гальмах. Нераціональність такого перетворення електроенергії була очевидна з перших кроків застосування електроприводу на колісному наземному транспорті, але були очевидні і технічні труднощі в реалізації ідеї викорис-тання перетвореної з кінетичної енергії рухомої одиниці електричної енергії для повторного споживання – так званої енергії рекуперації [220, 221 - 225].

Ці труднощі стосувалися як забезпечення умов переходу тягових двигунів у генераторний режим зі збереженням належного рівня електропротирушійної сили при зміні швидкості обертання якорів від будь-якого початкового значення до нуля, так і забезпечення умов споживання рекуперованої енергії. До появи на транспорті силової електроніки, тобто на рухомому складі з реостатно – контакторним регулюванням, вирішення проблеми забезпечення генераторного режиму тягових двигунів з рівнем електрорушійної сили, більшим за рівень напруги у контактній мережі та при підтриманні сталого моменту на якорі, по всьому діапазону швидкостей руху було принципово неможливо. Застосування двигунів з переважаючою намагнічувальною силою паралельних обмоток на МЕТ (трамвайні вагони РВЗ – 6, РВЗ – 6М, РВЗ – 6М2, тролейбуси МТБ – 82Д, ЗіУ-5), які дозволяли реалізувати рекуперативне гальмування до швидкості не менше 24 км/год., практично ніяких зрушень у енергоспоживанні не зробило, оскільки схемою керування передбачалося рекуперативне гальмування на позиціях розбігу, що спричиняє певні незручності для водіїв.

Крім того, навіть і невеликий відсоток можливої економії енергії не міг бути реалізований, оскільки імовірність реалізації потужності рекуперації та одночасного існування не меншої потужності споживання на одній секції або навіть на одному районі живлення є надзвичайно малою. Ось чому, незважаючи на надзвичайно привабливі результати теоретичного обчислення можливої економії енергії при застосуванні на рухомому складі електричного транспорту електронних перетворювачів, що передбачають рекуперацію до повної зупинки та інших накопичувачів проблема використання енергії рекуперації досі залишається не вирішеною [222 - 234]. На сьогоднішній день також не вирішено питання доцільності розміщення накопичувачів електроенергії: безпосередньо на транспортному засобі. або в системі тягового електропостачання [222 - 228]. В більшості наукових робіт не приділяється значної уваги на втрати в елементах силового приводу і системи електропостачання при оберненому перетворенні механічної енергії в електричну. Як було відмічено в п.3.2.2 тільки в контактній мережі та тягових підстанціях в номінальних режимах допускаються втрати електроенергії до 15 %. Дослідження, які були виконані на метрополітенах різних міст, показали, що при забезпеченні графіків руху поїздів для максимального споживання електроенергії рекуперації, енергія міжпоїздного обміну складає 8-13 %, надлишкова 5-1,5 % при енергії рекуперації 13-15 % загальних витрат на тягу поїздів.

Вільним від вказаних недоліків є акумулювання енергії рекуперації безпосередньо на рухомих одиницях з наступним її використанням при пусках. Можливість накопичення енергії з наступним її використанням практично доведена на багатьох видах транспорту, з яких найбільшою досконалістю відрізняються гіробуси швейцарської фірми “Ерлікон”, які здійснювали перевезення пасажирів протягом 15 років. До експериментальних зразків доведена розробка вагонів метрополітену з інерційним енергоакумулятором рекуперованої енергії, які пройшли випробування у Нью-Йорку; проведені експлуатаційні випробування автобусів ЛАЗ-695 з маховиком, міських автобусів Ikarus 556 з пневмоакумулятором у Ченстохові (Польща) [224, 225, 231].

Згідно з існуючою класифікацією, акумулювання енергії може бути у електричній, електрохімічній, пневматичній, механічній та тепловій формі [220, 221, 226 - 234]. Вибір тої чи іншої форми для застосування на МЕТ визначається крім таких очевидних критеріїв, як питома енергоємність (кількість енергії на одиницю маси енергоакумулятора), максимальна потужність, глибина розряду, максимальна кількість циклів “заряд-розряд”, також прийнятністю енергоакумулятора з точки зору безпеки для пасажирів та технічним рівнем експлуатаційних підприємств. З цих позицій використання теплових, зверхпровідних індуктивних накопичувачів, літій – хлорових електрохімічних високотемпературних акумуляторів, водневих електролізерів принаймні на найближчі десятиліття не матимуть перспективи. Прийнятними з точки зору наступництва техніки є очевидно електрохімічні низькотемпературні акумулятори, інерційні маховики та пневмоакумулятори.

Із співставлення характеристик енергоакумуляторів по показниках питомої енергоємності та питомої потужності (рис. 3.10) очевидна перевага механічних акумуляторів–маховиків над електрохімічними акумуляторами та енергоакумулюючими системами, що використовують стиснене повітря. Найбільш придатним з точки зору конструкції рухомого складу МЕТ є електрохімічні акумулятори, бо їх застосування потребує лише додаткового керованого інвертора для підтримання напруги заряджання батареї під час рекуперації та поступового підняття напруги під час споживання накопиченої енергії, у той час як механічні та пневматичні енергоакумулятори вимагають принципово відмінних конструктивних рішень ходових частин.

 

Рис. 3.10. Порівняння енергоакумуляторів різних видів

по питомій енергоємності Е/М та питомій потужності Р/М.

 

При існуючих зараз параметрах рухомого складу корисна енергія одного рекуперативного гальмування з урахуванням роботи з подолання опору рухові знаходиться в межах 1,0 – 2,5.106 Дж при максимальній початковій потужності у 200 – 450 кВт і тривалості рекуперації до 15 с. Розділивши корисну енергію рекуперації на показник питомої енергоємності та на показник питомої потужності, отримаємо приблизні значення маси додаткового устаткування для різних видів енергоакумуляторів. Так, для звичайних акумуляторів, що використовуються зараз на транспорті, додаткова маса сягає до 3000 кг, для срібно-сірчаних – до 1500 кг, для інерційних маховиків – до 800кг. Пневматичні акумулятори взагалі неспроможні забезпечити накопичення потрібного обсягу енергії, бо їх маса повинна бути співмірна з масою самого рухомого складу.

З цього логічно випливає пропозиція інвертувати енергію рекуперації до первинної мережі електропостачання, тобто перетворювати енергію постійного струму, що надходить від контактної мережі при рекуперації рухомої одиниці на секції, у енергію трифазного змінного струму напругою 600В на вторинній обмотці силового трансформатора тягової підстанції, який стає таким чином підвищувальним та передає енергію до мережі змінного струму 6 – 10 кВ. Ця ідея була вперше реалізована на тягових підстанціях залізниць, але внаслідок малої надійності ртутних перетворювачів, які на той час були єдиними керованими електронними приладами, широкого розповсюдження не знайшла.

З появою силових напівпровідникових приладів, а особливо керованих тиристорів, інвертування енергії рекуперації у первинну електромережу перейшло з розряду наукових проблем до розряду суто інженерних задач, зокрема на реверсивному електроприводі, де її впровадження дало значний економічний ефект. Принципова схема живлення електротранспорту при цьому виглядатиме так, як подано на рис. 3.11.

 

 

Рис. 3.11. Спрощена схема живлення секції на інверторній

тяговій підстанції

 

При наявності на районі живлення деякої кількості одиниць, з яких певна частина рекуперує, різниця потенціалів між позитивними та негативними шинами розподільчого пристрою постійного струму може стати більша за номінальну напругу на виході випрямляча, який внаслідок цього закривається, а інвертор – відкривається. Робота секції при цьому моделюється паралельними, за кількістю рухомих одиниць, ланцюгами з резисторами, що уособлюють опір силових кіл рухомих одиниць і опір контактно – кабельної мережі від струмоприймачів до шин тягової підстанції, та джерелами електропротирушійної сили, що імітують тягові двигуни у тяговому Ер.о. <Uк.м. та генераторному Ер.о.>Uк.м. режимах.

Відомо, що напруга на струмоприймачах рухомих одиниць дорівнює напрузі на шинах розподільчого пристрою постійного струму Uшв мінус втрати напруги з-за опору контактного проводу та кабелів ΔUТ, а напруга на шинах розподільчого пристрою постійного струму нижча від напруги холостого ходу випрямляльного агрегата на величину ΔUххв і при навантаженні більше 50 А є незмінною у всьому діапазоні навантажень (рис. 3.12). В інверторному режимі напруга на шинах того ж самого розподільчого пристрою Uші буде більша за напругу холостого ходу інвертора на величину ΔUххі. При протіканні струму рекуперації, тобто від струмоприймача до шин, втрати напруги від цього струму мають протилежний знак, і в разі перевищення струму рекуперації ІР над тяговим струмом ІТ напруга в контактній мережі Uкм перевищуватиме напругу на величину різниці втрат напруги плюс подвійне прирощення напруги холостого ходу.

Рис. 3.12. Залежність напруги в контактній мережі від струму при рекуперації

З цього випливає, що за наявності інвертування рекуперативної енергії у первинну мережу трифазного змінного струму напруга в контактній мережі повинна збільшуватися понад номінальною, що небезпечно як для електрообладнання одиниці, що рекуперує, так і для інших одиниць у даному районі живлення.

Отже, потрібно забезпечувати, щоб впровадження інвертування енергії рекуперації у первинну електромережу на МЕТ йшло паралельно з оснащенням рухомого складу електронними перетворювачами, здатними здійснювати рекуперативне гальмування до повної зупинки. Поки що цього не сталося, по-перше, з-за відсутності належного фінансування науково-дослідних та конструкторських робіт, а по друге, з-за відсутності донедавна ефективного технічного рішення компенсації підвищення напруги у контактних мережах при рекуперації. Тому необхідно розробляти проекти ресурсозбереження, що направлені на вдосконалення конструкції транспортних засобів та систем електропостачання і забезпечення відповідних умов експлуатації.

 

2. Модернізація електричних машин і апаратів.

Зменшення втрат ресурсів в електричних апаратах, в першу чергу, матеріальних, енергетичних, трудових досягається впровадженням проектів ресурсозбереження, що забезпечують вдосконалення магнітних силових систем та систем дугогасіння, елементів приводів, камер і контактів.

В дисертаційній роботі на основі аналізу стану ресурсозбереження, який забезпечується особливостями конструкції та умовами роботи електричних апаратів показано, що, в першу чергу, потрібно вирішити питання застосування модифікованих магнітних систем в апаратах захисту електрообладнання [206, 275], використання дугогасних камер із зменшеною енергією, що розсіюється, зменшення втрат енергії в процесі розмикання контактів комутаційних апаратів [205, 276, 277] та зносу контактних елементів [278, 279].

Як правило, пристрої дугогасіння електричних апаратів виготовляються у вигляді розімкнутої магнітної системи з котушкою або шиною розміщених в спеціальній камері.

В дугогасних камерах автоматичних вимикачів з номінальним значенням постійного струму більше 500 А використання котушок з струмопровідних шин приводить до збільшення габаритів за складності згинання шин і до значного підвищення витрат міді та втрат енергії в шині і в додаткових клемних з’єднаннях.

Усунути ці недоліки можна використанням прямої шини з багатовитковою магнітною системою (рис. 5. 13), параметри якої наведено в статті [206].

Рис. 5.13. Модернізація магнітних систем дугогасіння

 

Конструктивно до дугогасної камери входят: струмоведуча шина 1 з нерухомим контактом, рухомий контактодержач 2, контакт-деталі 3, ізоляційна камера 4, феромагнітні пластини 5, між якими розміщена камера, магнітопровід 6 з гнутого прутка низьковуглецевої сталі, або набраний з окремих елементів. На рис. 5.13 показано один із варіантів магнітопроводу, що складається з елементів, зроблених шляхом набору феромагнітних пластин з формами 7 і 8 (див. рис. 5.13), відігнутих у різні сторони від центральної частини П-образної форми пластин. Магнітний потік Ф, що проходить по магнітопроводі, пластинам 5 і усередині камери, приблизно дорівнює

,

де W- кількість витків магнітопроводу; I- струм у шині; Uст-падіння магнітного потенціалу в магнітопроводі; Rм1- магнітний опір зазорів між ділянками; Rм2- магнітний опір зазорів між магнітопроводом і пластинами 5; Rn- магнітний опір зазору δ між пластинами в камері.

Для варіанта на рис. 5.13 число витків W=3. Таке розташування витків забезпечує створення сили F, що діє на електричну дугу і спрямованої усередину камери. Економія міді й електроенергії при цьому складає не менш 60-80%. Недоліки конструкції є: підвищена складність, необхідність збільшення перетину магнітопроводу в порівнянні з багатовитковою шиною через великі втрати магніторушійної сили і струмів розсіювання.

Розглянута конструкція магнітної системи застосовна в контактних пристроях апаратів, особливо на підвищені номінальні струми, де для забезпечення контактного натискання і відповідно зменшення падіння напруги на контактах і їхнього нагрівання використовують пружини з значною жорсткістю.

Для розмикання контактів приводи апаратів повинні переборювати сили пружин, що змушує збільшувати потужність і габарити приводу і, відповідно, всього апарата. Тому що сила пружин не залежить від струму, що протікає в контактах, а в експлуатації апарати не постійно працюють при повному навантаженні по струму, то має місце надлишкова потужність приводу. Часткове усунення цього недоліку можливо шляхом застосування простого магнітного замка (рис.5.14), де на контактодержачах 1 і 2. що притягуються один до одного, установлюють магнітні системи 5, 6, збільшуючи контактне натискання і дозволяючи тим самим зменшити силу пружини.

Перевагою тут є збільшення натискання при зростанні струму. Щоб не збільшувати силу приводу відключення для подолання сили, що розвивається магнітним замком, його магнітна система повинна бути обрана, виходячи з умови насичення при струмах уставки. Цим також досягається зменшення росту сили замка при зносі контактів, коли зазор між торцями магнітної системи знижується.

Рис. 5.14. Конструктивні рішення збільшення сили

притискання контактів

 

З метою зменшення втрат енергетичних ресурсів проведено дослідження дугогасіння в камері із зменшеною розсіюваною енергією та обгрунтовано метод зменшення енергії в процесі розмикання контактів комутаційних апаратів [205, 276, 277].

При відключенні вимикачем струмів перевантаження або короткого замикання в його дугогасній камері виділяється енергія з двох складових:

– енергії магнітного поля індуктивності електричного кола та Wп – енергії джерела живлення, зменшеної на величину WR, що витрачається на активному опорі кола. Для попередньої приблизної оцінки їх питомої величини розглянемо процес розмикання вимикачем кола з індуктивностями при наступних допущеннях: напруга на дузі постійна Uд= const, що майже видержується в камерах з деіонними пластинами; активний опір кола дорівнює нулю; час наростання напруги tи= 0.

Цей процес представлено на рис. 5.15. Час t1 складається з часу tуст – часу наростання струму до величини його уставки та tпр – власного часу відключення приводом.

На відрізку 0 < t < t1

де UП – напруга живлення; L – індуктивність кола.

Максимальний струм

На відрізку t1 < t < t2 , де t2 - час відключення

Рис. 5.15. Зміна напруги дуги при розмиканні контактів

 

Звідки час горіння дуги

Енергія дорівнює

Енергія магнітного поля

Енергія Wп= Wд - Wм, тоді:

Відношення Wп до

де ν - кратність перенапруги.

Якщо, наприклад, ν =2, то k =1, це значить, що з джерела живлення поступає в камеру таж кількість енергії, яка була накопичена і в індуктивності. У зв’язку з цим для полегшення процесу дугогасіння, зменшення інтенсивності зносу матеріалів і розмірів камери необхідно виконати дослідження та розробити рішення для обмеження енергії Wп.

В [205] автором розглянуто конструкцію та наведено результати дослідження камери, що дає можливість зменшити величину Wп. Схему увімкнення камери представлено на рис. 5.16.

Рис. 5.16. Схема дугогасіння.

 

При розмиканні контактів і переході дуги в камеру з решітками струм i2 індуктивного навантаження (L2, R2) замикається через діод Д, пластину П1, дугу Uд2 і пластину П2. Струм i1 зменшується з більшою швидкістю, чим i2 так як L1 < L2, що приводить до обмеження величини енергії з джерела живлення до камери.

Виконані дослідження [205] показують, що при L1=0 (l1=0) в дугогасній камері не витрачається енергія з джерела живлення. Таким чином зменшуються втрати електроенергії при L1 # 0 ефективність схеми значно зменшується, тобто при відключенні струмів короткого замикання, що виникло поблизу вимикача, енергія від мережі Wп значно перевершує . Таким чином, схему можна рекомендувати для віддалених коротких замикань, або в колах, де розмикаються струми близькі до номінальних.

 

Зменшення матеріаломісткості електричних машин. Пропонується впроваджувати проекти ресурсозбереження для зменшення ресурсомісткості електричних машин за рахунок оптимізації їх геометричних параметрів та підвищення надійності ізоляції [197, 202. 203].

Для приводу поршневих компресорів доцільно використовувати асинхронні короткозамкнені двигуни оберненого (маховичного) типу, у яких ротор обертається навколо нерухомого статора [280]. Радіальні розміри цих двигунів можуть перевищувати осьові, що дозволяє одержати значний момент інерції обертання і не використовувати спеціальні маховики. В цих двигунах на величину активного опору фази короткозамкненої обмотки істотний вплив мають короткозамикаючі кільця, геометричні параметри яких визначають, в значній мірі, оптимальність всієї конструкції. Для вибору раціональних розмірів короткозамикаючих кілець і точного розрахунку їх опорів необхідно розрахувати розподіл питомого струму в кільцях.

 

 

ЛЕКЦІЯ 12.

Последнее изменение этой страницы: 2016-07-23

lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда...