Glava4
.docx4. РАЗРАБОТКА МАНЕВРОВОГО ТЕПЛОВОЗА С НАКОПИТЕЛЯМИ ЭНЕРГИИ
Использование в составе тягового электропривода накопителей энергии является приоритетным направлением повышения энергоэффективности тягового подвижного состава. Бортовые накопители энергии позволяют организовать эффективное аккумулирование и последующее использование энергии электрического торможения, что представляет собой мощный инструмент энергосбережения. По удельным показателям, временным, эксплуатационным и экологическим характеристикам наиболее целесообразно применение на тяговом подвижном составе гибридных энергонакопительных систем и электрохимических накопителей на базе литий-ионных аккумуляторных батарей.
Применение накопителей энергии в гибридных силовых энергоустановках тягового подвижного состава позволит получить экономический эффект в виде снижения эксплуатационных затрат на тягу поездов. Источниками для понижения затрат станут: экономия на топливно-энергетических ресурсах, достигаемая за счет меньшей стоимости электрической энергии по сравнению с дизельным топливом; запасание энергии в накопителях при электрическом торможении (регенерирование энергии) и последующее ее использование на разгон; оптимизация работы дизельного двигателя при применении накопителей электрической энергии на автономных локомотивах.
4.1 Конструкции и работа маневрового тепловоза с накопителями энергии
Работу тепловоза с электрической передачей мощности можно описать упрощенно следующим образом. Основной задачей тепловоза является выполнение перевозочной или маневровой работы. Для этого, прежде всего, необходимо осуществлять режим тяги – дизель-генераторный агрегат вырабатывает некоторое переменное во времени количество энергии, расходуемой на приведение во вращение колесных пар. В каждый момент времени на тягу расходуется различная по величине мощность ввиду изменения величины возмущающего воздействия – момента сопротивления на колесных парах и заданий на мощность позициями контроллера машиниста. Кроме режима тяги, для полноценной работы локомотива необходимо реализовать режим торможения. В этом случае тяговые электродвигатели (ТЭД), как правило, работают в режиме электродинамического торможения, т.е. создают тормозной момент, генерируя электрическую энергию, которая расходуется на нагрев тормозных сопротивлений (из-за отсутствия накопителя энергии (НЭ). Для всех условий эксплуатации маневровых тепловозов характерна продолжительная работа силовой установки при небольшой загрузке и на холостом ходу. Минимальная продолжительность функционирования силовой установки под нагрузкой составляет 10...20 с. В этих условиях целесообразно рассмотреть вопрос об использовании на перспективных маневровых тепловозах бортовых НЭ с целью снижения установленной мощности дизель-генераторного агрегата, рационализации использования топлива, повышения экологичности локомотивов. Под важнейшими функциями бортового НЭ будем понимать его способность выравнивать режим работы дизель-генераторного агрегата и способность обеспечивать рекуперацию энергии торможения ТЭД с целью последующего ее использования в тяговых режимах. При наличии НЭ мощность, вырабатываемая генератором, постоянна, а часть мощности на тягу, сверх вырабатываемой генератором, берется из НЭ. Заряд НЭ осуществляется до поездки (в период стоянки), а также в ходе поездки от ТЭД, работающих в тормозных режимах.
Маневровый локомотив, изображенный на рисунке 4.1., содержит раму 1, на которой установлен кузов 2 капотного типа, энергетическую установку, состоящую из тяговой аккумуляторной батареи, состоящей из секций (блоков) 3 и двигателя-генератора 4 небольшой мощности, размещенного в одном из капотов кузова 2, топливный бак 5, выполненный в виде блоков, которые размещены в раме 1 локомотива и свободном пространстве кузова, например подкабинном пространстве 6, и которые соединены между собой топливопроводом (на чертеже не показано) в общую систему, кабину управления 7, установленную в средней части локомотива над рамой 1 с максимальным заполнением верхнего габарита 1-Т строительного очертания для обеспечения кругового обзора из нее и размещения в подкабинном пространстве 6 части вспомогательного оборудования, например преобразователя 8 и электронного блока 9 системы управления, вентилятора 10 охлаждения тяговых электрических двигателей (ТЭД)11. Тяговые аккумуляторные батареи 3 размещены в секциях, установленных не менее чем в два яруса в одном из капотов кузова 2 и под рамой 1 локомотива в межтележечном пространстве 12 между двумя тележками 13 по обеим сторонам локомотива. В другом капоте кузова 2 установлен двигатель-генератор 4, другая часть вспомогательного оборудования, например, компрессор 14. Каждая тележка 13 оборудована одним общим либо соответственно числу осей колесных пар 15 тяговыми электрическими двигателями (ТЭД) 11, которые питаются от тяговой аккумуляторной батареи 3 и/или двигатель-генератора 4 и обеспечивают привод осей тележек 13.
Двигатель-генератор 4 может в себя включать двигатель внутреннего сгорания, например, дизель или газовую турбину.
В кабине управления 7 установлено рабочее место машиниста, которое выполнено в виде модуля, включающего два равнозначных пульта управления 16 и поворотное кресло 17, имеющее возможность продольного перемещения от одного пульта к другому для обеспечения управления движением локомотива в обе стороны.
Система запуска дизеля тепловоза, содержащая аккумуляторную батарею, устройство отключения аккумуляторной батареи от бортовой сети тепловоза , тяговый генератор, пусковые контакторы, через которые напряжение при запуске поступает на тяговый генератор, емкостной накопитель энергии, в цепь заряда которого включены тиристор и токоограничивающий резистор, диод, шунтирующий цепь заряда при протекании тока разряда емкостного накопителя энергии, и контактный элемент для включения тиристора, согласно изобретению снабжена дополнительным контактным выключателем цепи питания емкостного накопителя энергии, индикатором заряда накопителя энергии и разрядным резистором, подключенным к емкостному накопителю, причем контактный элемент для включения тиристора выполнен в виде отдельного выключателя, расположенного на одной панели с индикатором заряда и выключателем цепи питания накопителя энергии, а упомянутая панель выполнена с возможностью ее установки в высоковольтную камеру тепловоза.
Емкостной накопитель энергии, входящий в состав системы, выполнен в виде параллельно или параллельно-последовательно соединенных конденсаторов с двойным электрическим слоем.
В перерывах между запусками дизеля конденсаторы накопителя энергии разряжаются, что сокращает суммарное время их нахождения под напряжением и позволяет повысить ресурс.
Маневровый локомотив содержит раму, кузов капотного типа, энергетическую установку, состоящую из тяговой аккумуляторной батареи и двигателя-генератора небольшой мощности, размещенного в капоте кузова, топливный бак, две тележки с приводом от тяговых электрических двигателей, вспомогательное оборудование, кабину управления с размещенным в ней рабочим местом машиниста. Топливный бак выполнен в виде блоков, которые размещены в раме локомотива и свободном пространстве кузова. Тяговые аккумуляторные батареи размещены в секциях, установленных не менее чем в два яруса в капоте кузова и под рамой локомотива в межтележечном пространстве по обеим сторонам локомотива. Кабина управления установлена над рамой локомотива с максимальным заполнением верхнего габарита строительного очертания. Рабочее место машиниста выполнено в виде модуля, включающего два пульта управления и поворотное кресло, имеющее возможность продольного перемещения от одного пульта к другому.
Рисунок 4.1 – Конструкция маневрового локомотива
Электрические тяговые двигатели на нем установлены на осях двух двухосных тележек и получают энергопитание от тяговых аккумуляторных свинцовых кислотных батарей. Батареи заряжаются от дизель-генератора (или турбогенератора) небольшой мощности, работающего на дизельном топливе, хранящемся в топливном баке. Этот бак расположен под рамой между тележками. Кузов капотный.
В задней части локомотива расположены в один ярус тяговые аккумуляторные батареи, дизель-генератор небольшой мощности и высоты, что позволяет установить там низкий длинный кожух кузова.
В передней (короткой) части локомотива расположено вспомогательное оборудование.
Кабина машиниста оборудована одним стандартным пультом управления, который мало отличается от пультов управления традиционных маневровых тепловозов.
4.2. Особенность конструкции и принципа работы энергетической установки
Для построения гибридной силовой установки перспективного транспортного средства целесообразна непрерывная связь множества преобразователей (мультиконверторная топология) (рисунок. 4.2), при которой каждый накопитель энергии подключен к общей шине постоянного тока через индивидуальный двунаправленный DC–DC преобразователь.
Так как между любым накопителем энергии и общей шиной постоянного тока включен двунаправленный DC–DC преобразователь, то количество источников и преобразователей теоретически может быть любым. Вместо накопителей энергии питать общую шину может другой источник энергии, например, контактная сеть или дизель-генераторная установка (в случае контактной сети или дизель-генератора переменного тока питание общей шины должно осуществляться через выпрямитель).
Достоинством данной схемы является возможность независимого управления потоками энергии и полного использования заряда аккумуляторов. Схема сохраняет свою работоспособность при полном исчерпании энергии одного из источников либо его неисправности, если во втором накопителе еще сохраняется запас энергии. Данная система позволяет поддерживать постоянное напряжение на промежуточном звене (общей шине) или регулировать его в соответствии с необходимостью оптимизировать режимы заряда батарей. К недостаткам системы следует отнести повышенное число преобразований энергии и связанные с этим потери мощности. Кроме того, может потребоваться более сложный двунаправленный DC–DC преобразователь с повышением и понижением напряжения относительно входа.
Рисунок 4.2 - Мультиконверторная топология силовой гибридной энергоустановки
Задачей системы управления энергией гибридной силовой установки является управление потреблением, выработкой и аккумулированием энергии для обеспечения максимальной эффективности всей системы. Решение этой задачи возможно только на основе системного подхода, который обеспечивает координированную работу всех элементов гибридной силовой энергоустановки. Разработка единой системы управления энергопотреблением и мгновенной мощностью представляет собой сложную совокупность нескольких локальных задач, которые можно сформулировать следующим образом: генерирование электроэнергии; контроль за качеством и стабильностью электроэнергии; координация потоков энергии и мощности; управление максимальной мощностью и регенерируемой мощностью.
Наличие в гибридной энергосистеме нескольких видов накопителей энергии требует решения задачи оптимального распределения между ними требуемой мощности. Для этого необходима стратегия управления потоками мощности путем динамического изменения вклада каждой из систем хранения в общую потребность энергообеспечения силовой установки. Для успешной работы ГТПС стратегия управления должна соответствовать требованиям к энергоснабжению потребителя в любой момент времени с учетом постоянных и текущих ограничений.