close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Повышение энергетической эффективности электрического подвижного состава

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ЕВСТАФЬЕВ
Андрей Михайлович
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Санкт-Петербург
2018
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном
учреждении высшего образования «Петербургский государственный университет
путей сообщения Императора Александра I» на кафедре «Электрическая тяга»
Научный
консультант:
Титова Тамила Семеновна
доктор технических наук, профессор,
Заслуженный деятель науки Российской Федерации
Официальные Власьевский Станислав Васильевич
доктор технических наук, профессор, профессор кафедры
оппоненты:
«Электротехника,
электроника
и
электромеханика»
ФГБОУ ВО
«Дальневосточный
государственный
университет путей сообщения» г. Хабаровск
Черемисин Василий Титович
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой
«Подвижной состав электрических железных дорог»
ФГБОУ ВО «Омский государственный университет путей
сообщения» г. Омск
Шевлюгин Максим Валерьевич
доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой
«Электроэнергетика транспорта» ФГБОУ ВО «Российский
университет транспорта (МИИТ)» г. Москва
Федеральное государственное бюджетное образовательное
Ведущая
высшего
образования
«Национальный
организация: учреждение
исследовательский университет «МЭИ» г. Москва
Защита состоится «21» декабря 2018 г. в 13 ч. 00 мин. на заседании
диссертационного совета Д218.008.05 на базе федерального государственного
бюджетного
образовательного
учреждения
высшего
образования
«Петербургский государственный университет путей сообщения Императора
Александра I» по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9, ауд.
5-407.
С диссертацией, авторефератом можно ознакомиться в библиотеке и на
сайте ФГБОУ ВО ПГУПС (www.pgups.ru). Автореферат размещен на сайте
Минобрнауки России (www.vak.ed.gov.ru).
Отзывы на автореферат, заверенные печатью организации (в двух
экземплярах), просим направлять в адрес ученого совета университета.
Автореферат разослан «21» сентября 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
д.т.н., профессор
Виктор Александрович Кручек
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность
программ
темы
развития
исследования.
железнодорожного,
Стратегическим
промышленного
приоритетом
и
городского
транспорта являются разработка и внедрение новых типов энергоэффективного
подвижного состава. Особое внимание в области энергосбережения уделяется
инновационным технологиям, в их числе использованию альтернативных
источников энергии. Основную часть расходов на энергоресурсы транспорта
составляют расходы на тяговые нужды. Наиболее эффективным методом
энергосбережения
является
локальная
буферизация
электроэнергии
на
различных стадиях ее доставки до потребителя, в том числе введение в
электроэнергетическую систему транспорта накопителей энергии, способных
сэкономить до 30% электроэнергии, расходуемой на тягу. Бортовые накопители
энергии создают возможность применения рекуперативного торможения в
любых условиях, не только на электрическом подвижном составе, но и на других
видах тягового подвижного состава. Таким образом, задача повышения
энергетической эффективности электрического подвижного состава является
актуальной и может быть решена путем разработки и создания гибридного
тягового подвижного состава (ГТПС), в состав силовых энергоустановок
которого входят как источники, так и бортовые накопители энергии различного
физического принципа действия, обеспечивающие наиболее эффективное
аккумулирование и использование энергии транспортного средства.
Степень
разработанности
темы
исследования.
Проблемами
транспортной энергетики занимались многие ученые, среди которых в первую
очередь
необходимо
отметить
работы
В.Н. Аносова,
A.A. Бакланова,
С.В. Власьевского, В.Н. Игина, Ю.М. Инькова, К.К. Кима, О.В. Мельниченко,
В.Е. Розенфельда,
А.Н. Савоськина,
Н.Н. Сидоровой,
М.А. Слепцова,
Б.Н. Тихменева, Л.М. Трахтмана, В.П. Феоктистова, Н.И. Щурова. Оптимизации
режимов движения поездов с электрической тягой по критерию минимума
энергозатрат посвящены работы М.П. Бадера, Л.А. Баранова, А.Т. Буркова,
1
Я.М. Головичера,
И.П. Исаева,
Е.В. Ерофеева,
А.А. Зарифьяна,
Л.Д. Капустина,
А.С. Космодамианского,
Р.Г. Идиятуллина,
П.Г. Колпахчьяна,
В.А. Кручека,
А.Б. Косарева,
Ю.М. Кулинича,
А.С. Курбасова,
В.А. Кучумова, А.Л. Лисицина, В.Н. Лисунова, В.В. Литовченко, А.С. Мазнева,
А.Н. Марикина,
О.Н. Назарова,
Л.А. Мугинштейна,
В.И. Некрасова,
Р.В. Мурзина,
Б.Д. Никифорова,
Н.С. Назарова,
Н.Б. Никифоровой,
М. Павелчик, А.Д. Петрушина, A.B. Плакса, О.Е. Пудовикова, Н.А. Ротанова,
Г.Г. Рябцева, В.Г. Сидоренко, О.А. Сидорова, В.Д. Тулупова, Г.А. Федяевой,
Б.И. Хоменко, В.Т. Черемисина, М.В. Шевлюгина, В.Г. Щербакова, В.П. Янова.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является
силовая энергетическая установка перспективного тягового подвижного состава
с накопителями электрической энергии. Предметом исследований являются
процессы энергообмена в силовых установках подвижного состава с
накопителями энергии.
Цель и задачи диссертации. Целью диссертации является повышение
энергетической эффективности тягового подвижного состава железных дорог,
городского и промышленного транспорта путем разработки новых научно
обоснованных технических решений по применению накопителей энергии в
составе силовых энергетических установок подвижного состава.
Для достижения указанной цели требуется решить следующие задачи.
1. Раскрыть
основные
направления
повышения
энергетической
эффективности и функциональности тягового подвижного состава, обосновать
внедрение силовых энергетических установок с накопителями энергии как
приоритетное
направление
повышения
энергоэффективности
и
функциональности подвижного состава.
2. Уточнить классификационные признаки и разработать системную
классификацию гибридного тягового подвижного состава. Разработать систему
показателей, характеризующих специфику широкой номенклатуры гибридного
тягового подвижного состава, и методику комплексной оценки его технического
уровня, энергетической эффективности и конкурентоспособности.
2
3. Провести комплексный анализ свойств и характеристик основных
накопителей энергии по критериям целесообразности и эффективности их
использования в составе силовых энергетических комплексов гибридного
тягового подвижного состава.
4. Обобщить методики оценки энергоемкости бортового накопителя энергии
на основе критерия функционального назначения накопителя для различных
групп подвижного состава.
5. Разработать
математические
модели
и
провести
теоретическое
исследование эффективности энергообменных процессов между структурными
элементами гибридных энергосистем тягового подвижного состава.
6. На
основе
теоретического
исследования
обосновать
наиболее
рациональную архитектуру системы управления гибридной силовой установкой
перспективного тягового подвижного состава.
7. Разработать основы теории управления потоками энергии и мощности в
гибридной силовой энергетической установке.
8. Выполнить
предварительное
технико-экономическое
обоснование
внедрения бортовых систем аккумулирования энергии на тяговый подвижной
состав.
9. Сформулировать
направления
дальнейшего
развития
научно-
исследовательских и опытно-конструкторских работ по внедрению гибридных
технологий в конструкцию тягового подвижного состава.
Научная новизна. Научная новизна диссертации заключается в
следующем.
1. Разработана системная классификация гибридного тягового подвижного
состава, характеризующая специфику силовых энергоустановок широкой
номенклатуры транспортных средств, соответствующих этому понятию.
2. Для количественной характеристики основных свойств гибридного
тягового подвижного состава разработана система показателей и методика
сравнительной оценки его технического уровня, энергетической эффективности
и конкурентоспособности.
3
3. Разработаны математические модели силовых энергетических установок
гибридного тягового подвижного состава, на основе которых выполнен анализ
энергетической
эффективности
зарядно-разрядных
процессов
бортовых
накопителей энергии применительно к емкостному накопителю и совместной
работе
емкостного
накопителя
и
аккумуляторной
батареи.
Получены
соотношения для расчета эффективности энергообменных процессов в
резистивных зарядно-разрядных контурах и контурах с реакторами.
4. Разработана многофункциональная компьютерная модель на базе
мультиконверторной гибридной топологии, включающая силовую часть и
систему управления, которая позволяет исследовать переходные процессы в
различных режимах работы гибридного тягового подвижного состава.
5. На основе экспериментального исследования разработана методика
определения уточненных параметров тяговых двигателей постоянного тока,
учитывающая влияние вихревых токов на изменение магнитного потока
возбуждения, и разработана уточненная модель тягового двигателя, которая
является структурной частью общей модели гибридной силовой установки.
6. Разработаны основы теории управления энергией и мощностью в
гибридной силовой энергетической установке перспективного тягового
подвижного состава на базе системного подхода и иерархической структуры
управления.
7. Выполнено
предварительное
технико-экономическое
обоснование
внедрения гибридных технологий на тяговый подвижной состав железных дорог
применительно к маневрово-вывозным локомотивам, показаны источники
сокращения эксплуатационных затрат.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость диссертации заключается в разработке научно
обоснованных
положений
и
технических
решений
по
энергетической эффективности тягового подвижного состава.
Практическая значимость работы заключается в следующем.
4
повышению
1. Разработанная система показателей, характеризующих технический
уровень, энергетическую эффективность и конкурентоспособность гибридного
тягового подвижного состава, и методика позволяют дать комплексную
рейтинговую оценку существующим и вновь разрабатываемым видам
подвижного состава, что может применяться при принятии решений на этапах
проектирования и закупки подвижного состава.
2. Разработанные математические модели могут найти применение при
модернизации эксплуатируемого и разработке нового гибридного тягового
подвижного состава для анализа режимов работы силовых энергоустановок,
определения проектных параметров их структурных элементов и поиска
наиболее рациональных технических решений.
3. Разработанные основы теории управления энергией и мощностью
гибридной силовой энергоустановки закладывают методологические основы
построения
многоуровневых
систем
управления
перспективным
энергоэффективным тяговым подвижным составом.
Практическая значимость результатов диссертации подтверждена актами
внедрения филиала ОАО «РЖД» – Дирекции тяги и ООО «Локотех».
Методология и методы исследования. Исследования выполнены на
основе комплексного подхода к проблеме энергетической эффективности
тягового подвижного состава, ориентированного на практическую значимость и
экономическую обоснованность результатов. Для решения поставленных задач
в работе используются методы теории электрических и магнитных цепей, теории
автоматического управления, теории электрической тяги, структурного анализа,
имитационного моделирования электромагнитных и электромеханических
процессов.
Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие
положения.
1. Классификация гибридного тягового подвижного состава, система
показателей и методика оценки его технического уровня, энергетической
эффективности и конкурентоспособности.
5
2. Математические модели энергетических комплексов гибридного тягового
подвижного
состава,
учитывающие
особенности
функционирования
накопителей энергии в системе тягового электропривода и позволяющие
определять энергооптимальные способы управления тяговым электроприводом.
3. Топология, схемные решения и алгоритмы управления энергетическими
комплексами гибридного тягового подвижного состава, обеспечивающие
сокращение потерь энергии во всех режимах работы.
4. Основы
теории
управления
энергией
и
мощностью
силовой
энергетической установки перспективного тягового подвижного состава.
Степень достоверности и апробация результатов работы.
Достоверность
основных
научных
положений
и
результатов
обеспечивается корректностью принятых допущений и математических
формулировок задач и подтверждается удовлетворительной сходимостью
результатов теоретического и экспериментального исследования.
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на
международных, всероссийских, отраслевых и региональных симпозиумах,
конференциях, выставках и конкурсах: Всероссийская научно – техническая
конференция с международным участием «Ресурсосберегающие технологии на
железнодорожном транспорте» г. Красноярск, 2005 г.; международная научнотехническая конференция «Наука, инновации и образование: Актуальные
проблемы развития транспортного комплекса России», УрГУПС, 2006 г.; пятая
международная
научная
конференция
творческой
молодежи
«Научно-
техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в ХХI веке», ДВГУПС,
2007 г.; Всероссийская научно-практическая конференция «Транспорт-2007»,
РГУПС, 2007 г.; международная научно-практическая конференция ученых
транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической
науки «Подвижной состав XXI века», ДВГУПС, 2008 г.; научно-практическая
конференция студентов, аспирантов и молодых ученых Электромеханического
факультета ИрГУПС «Проблемы, решения, инновации транспорта Российской
Федерации»,
ИрГУПС,
2010
г.;
Всероссийская
6
научно-практическая
конференция «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и
образования»,
ДВГУПС,
2010
г.;
Всероссийская
научно-практической
конференция «Транспорт-2010», РГУПС, 2010 г.; Всероссийская научнотехническая конференция с международным участием «Эксплуатационная
надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов»,
ОмГУПС, 2012 г.; IV, V Международной научно-практической конференции
«Интеллектуальные системы на транспорте», ПГУПС, 2014, 2015 гг.; 3-й, 4-й, 5й, 6-й, 7-й, 8-й, 9-й международный симпозиум «Eltrans», ПГУПС, 2005, 2007,
2009, 2011, 2013, 2015, 2017 гг.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 53
научных работах, в том числе 24 работах в журналах, входящих в перечень
изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России для публикации
результатов исследований на соискание ученых степеней кандидата и доктора
наук, и в трех публикациях в журналах, индексируемых в базе данных Scopus.
По теме диссертации получено 13 патентов на изобретения и полезные модели и
3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав,
заключения, списка литературы из 316 наименований и приложений,
размещенных на 396 страницах машинописного текста, включая 15 таблиц и 130
рисунков.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность и степень разработанности темы
исследования, изложены цель и задачи диссертации, научная новизна,
практическая значимость, достоверность результатов, методология и методы
исследования,
сформулированы
положения,
выносимые
на
защиту,
и
представлены сведения об апробации результатов работы.
В первой главе сформулированы основные направления повышения
энергетической
эффективности
и
функциональности
электрического
подвижного состава (ЭПС), к которым относятся: совершенствование пуско7
регулирующих систем ЭПС постоянного тока, повышение качества потребления
и преобразования энергии силовыми установками ЭПС переменного тока,
совершенствование систем электропривода вспомогательных механизмов,
совершенствование систем автоматического управления подвижным составом и
совершенствование систем тягового привода с помощью бортовых накопителей
энергии.
Первое направление может быть реализовано при модернизации
существующего ЭПС с резисторно-контакторной системой управления путем
перехода от ступенчатого пуска к плавному пуску тяговых электродвигателей
(ТЭД) постоянного тока, а также путем перехода от ступенчатого регулирования
их возбуждения к плавному регулированию. Выполнен сравнительный анализ
потерь энергии при плавном реостатном и ступенчатом реостатном способах
пуска, приводятся варианты построения резисторно-электронного шунта
обмотки возбуждения ТЭД постоянного тока и интегрированного блока
управления ТЭД, реализующего плавный реостатный пуск и регулирование
возбуждения.
На ЭПС переменного тока существенного снижения потерь энергии можно
добиться за счет снижения реактивной мощности и улучшения гармонического
состава потребляемого тока. Применительно к модернизации существующего
ЭПС это может быть реализовано путем применения пассивных компенсаторов
реактивной мощности, активных фильтров и комбинированных фильтрокомпенсирующих устройств, а также путем модернизации ЭПС переменного
тока с коллекторными ТЭД посредством применения 4q-S-преобразователей.
При
разработке
нового
подвижного
состава
наиболее
перспективным
направлением является применение частотно-регулируемого асинхронного
тягового привода.
Вспомогательный
электропривод
потребляет
до
15-18%
энергии,
расходуемой на тягу. Традиционная система питания электроприводов
вспомогательных механизмов, построенная на асинхронном расщепителе фаз, не
соответствует современным требованиям по надежности и экономичности.
8
Существенного улучшения эксплуатационных и экономических показателей
вспомогательного электропривода ЭПС можно добиться путем внедрения
асинхронного частотно-регулируемого вспомогательного привода, который
принципиально позволяет сочетать снижение потерь энергии с повышением
эффективности функционирования вспомогательных механизмов.
Перспективным направлением повышения энергоэффективности ЭПС
является совершенствование защиты от юза и боксования колесных пар и систем
автоматического управления ЭПС. В настоящее время на новом ЭПС широко
применяются микропроцессорные системы управления, развитием которых
должны стать системы автоведения поездов, в том числе адаптивные,
интегрированные в интеллектуальные системы управления перевозочным
процессом.
Приоритетным направлением повышения энергоэффективности тягового
подвижного состава является использование в составе тягового электропривода
накопителей энергии. Создание силовых энергетических установок, в состав
которых входят основные источники энергии (контактная сеть, дизельгенераторная установка) и бортовые накопители энергии позволяет организовать
эффективное
аккумулирование
и
последующее
использование
энергии
электрического торможения и представляет собой наиболее мощный инструмент
энергосбережения. Для большинства транспортных средств характерными
являются пуско-тормозные режимы, при которых требуется развивать большие
мощности в течение относительно коротких интервалов времени, и режимы
движения с установившейся скоростью, при которых потребляется относительно
небольшая мощность в течение длительного времени. Таким условиям работы в
наилучшей степени соответствуют свойства емкостного накопителя энергии
(батарея суперконденсаторов) и электрохимического накопителя энергии
(аккумуляторная батарея).
Во второй главе проанализированы этапы эволюции транспортных
средств с гибридными силовыми установками, уточнено понятие гибридного
9
тягового подвижного состава (ГТПС), предложена его классификация и система
показателей, характеризующих свойства ГТПС.
Импульс
современному
этапу
развития
гибридных
силовых
энергетических установок дало интенсивное развитие технологий, результатом
которого является рост удельных показателей источников и накопителей
энергии различного физического принципа действия, сочетание которых
позволяет повысить энергетические характеристики и конкурентоспособность
транспортных средств. Однако в настоящее время понятие ГТПС не имеет
четкого определения и зачастую наделяется противоречивыми смыслами, что
создает дополнительные трудности в поиске продуктивных решений проблемы
повышения энергетической эффективности тягового подвижного состава. На
основе анализа многочисленных вариантов разнообразной классификации ГТПС
предложена его системная классификация, характеризующая специфику
архитектуры силовых энергоустановок широкой номенклатуры транспортных
средств, соответствующих этому понятию (рисунок 1). В Приложении 1
диссертации
представлены
основные
характеристики
многочисленных
отечественных и зарубежных разработок ГТПС и их позиция в предложенной
классификации,
которая
позволяет
выявить
наиболее
перспективное
направление в разработке нового и модернизации существующего тягового
подвижного состава – гибридизация 3-го и 4-го рода путем использования
накопителей энергии в составе силовых энергоустановок тягового подвижного
состава.
Для количественной оценки свойств ГТПС предложено ввести ряд
показателей, характеризующих: универсальность в нормальных условиях
эксплуатации (kU), живучесть в аварийных условиях (kS), степень экологической
чистоты (kЭ), удельную (kE) и суммарную (Er) энерговооруженность. Показатели
определяются следующим образом:
∗

=1
=1
(Э)
∑
1
1
=1 
∗
 = �0 + �  � ;  = �  ; Э = 
;
∑=1 .
0
0
10
Рисунок 1 – Классификация гибридного тягового подвижного состава


=1
=1
1
1
 = �0 + �  � ;  =
�0 + �  �.
0

В этих выражениях P0 – мощность основного источника энергии; ∗ –
мощность i-го дополнительного источника энергии иного физического принципа
действия по сравнению с основным источником; ∗ – число дополнительных
источников энергии иного физического принципа действия по сравнению с
основным источником;  – мощность i-го дополнительного источника энергии;
(Э)
n – число всех дополнительных источников энергии; 
– мощность i-го
экологически чистого источника энергии (контактная сеть, бортовые накопители
электрической энергии); m – число экологически чистых источников энергии;
. – мощность k-го источника энергии с выхлопом отработанных газов в
атмосферу; s – число источников энергии с выхлопом отработанных газов в
атмосферу; M – масса тяговой единицы.
Практическая значимость введенных понятий заключается в том, что они
позволяют
дать
комплексную
сравнительную
(рейтинговую)
оценку
технического уровня, энергетической эффективности и конкурентоспособности
данного вида тягового подвижного состава, учитывающую его разнородные
характеристики.
Комплексная
оценка
используется
для
сопоставления
показателей ГТПС, в результате чего определяется некоторая обобщённая
интегральная
оценка
количественную и
(показатель),
с
помощью
которой
можно
дать
качественную характеристику ГТПС. Особенностью
применения сравнительной комплексной оценки является необходимость
сопоставления различных показателей, зачастую качественно разнородных.
Исходной информацией служит матрица, элементами которой являются
значения предложенных показателей. Пусть имеется m сравниваемых объектов
и n показателей, по которым проводится оценка. Каждый j-й показатель на i-м
объекте задан величиной  . Таким образом, задана матрица X, строки которой
характеризуют данный вид ГТПС по n различным показателям. К исходной
матрице X может быть добавлена строка, которая характеризует значимость
12
показателя при проведении комплексной оценки, т.е. вводит ранжирование
показателей по степени значимости. Эти оценки образуют вектор значений
К = (k1, k2,…,kn). Комплексную сравнительную оценку ГТПС предложено
выполнять с помощью метода расстояний:

где
2
1/2

 = ��  �1 −
� �
0
=1
,
i – порядковый номер сравниваемого типа ГТПС;  – весовой
коэффициент, учитывающий степень значимости j-го показателя; n – число
критериев сравнения; 0 – численное значение j-го критерия сравнения для
эталонного типа ГТПС;  – численное значение j-го критерия сравнения для i-
го сравниваемого типа ГТПС.
Наиболее высокая рейтинговая оценка присваивается тому типу ГТПС, для
которого на множестве сравниваемых объектов выполняется условие
 → min ∪  → .
Такого рода критериальная оценка может применяться разработчиками
при стратегическом планировании направлений совершенствования подвижного
состава, а также эксплуатантами при принятии решений по процедурам закупки
новых видов тягового подвижного состава.
В третьей главе выполнен анализ характеристик основных видов
накопителей
энергии
(электромеханических,
индуктивных,
емкостных,
электрохимических). Основными параметрами, определяющими эффективность
и целесообразность применения того или иного вида накопителя энергии на
ГТПС, являются: удельная энергоемкость, выражаемая как отношение
максимальной запасаемой энергии к массе или объему накопителя, КПД
зарядно-разрядного цикла, скорость ввода-вывода энергии в единицу времени
(реализуемая мощность), количество зарядно-разрядных циклов, потери энергии
в режиме ее хранения, степень безопасности, стоимостные показатели.
Емкостные накопители (ЕН) энергии на базе суперконденсаторов
характеризуются
высокими
значениями
13
удельной
энергии
(кДж/кг)
и
сравнительно высокой стоимостью единицы запасаемой энергии. При этом по
стоимости единицы мощности, которую может запасать и отдавать ЕН, они
сопоставимы с широко распространенными в настоящее время кислотными и
щелочными
аккумуляторными
батареями.
При
этом
ЕН
на
базе
суперконденсаторов имеют по сравнению с кислотными и щелочными
аккумуляторными батареями более высокий КПД, существенно больший срок
службы, не требуют обслуживания в эксплуатации. Указанные положительные
свойства суперконденсаторов говорят о целесообразности их использования в
составе энергосистем ГТПС в качестве буферных накопителей энергии,
предназначенных для реализации больших мощностей заряда-разряда, т.е.
накопления и отдачи относительно больших энергий за относительно короткое
время.
Аккумуляторные батареи (АБ) в настоящее время являются наиболее
распространенным типом накопителей энергии, используемых на транспортных
средствах. Недостатками традиционных кислотных и щелочных АБ являются
ограниченный срок службы и необходимость обслуживания в эксплуатации.
Литий-ионные АБ, технология производства которых интенсивно развивается в
настоящее время, имеют по сравнению с кислотными и щелочными АБ в
несколько раз большую удельную энергоемкость, более высокий КПД и не
требуют обслуживания в эксплуатации. Стоимость единицы энергии литийионных АБ превышает аналогичный показатель кислотных и щелочных АБ, но
меньше,
чем
у
суперконденсаторных
ЕН.
Областью
целесообразного
использования литий-ионных АБ на подвижном составе являются бортовые
накопители энергии, предназначенные для хранения больших запасов энергии и
заряда-разряда в течение длительного времени при относительно небольшой
мощности.
Режимы
работы
тягового
подвижного
состава
характеризуются
разнообразием, но основными режимами работы являются пуско-тормозные
режимы, при которых требуется развивать большие мощности в течение
относительно короткого времени, и режимы установившегося движения, при
14
которых
потребляется
относительно
небольшая
мощность
в
течение
длительного времени. Анализ свойств и характеристик накопителей энергии
позволяет сделать вывод, что для повышения энергоэффективности тягового
подвижного состава целесообразно применение гибридных накопителей
энергии, сочетающих свойства суперконденсаторов и аккумуляторных батарей.
Рассмотрены
основные
энергетические
соотношения
и
методы
математического моделирования емкостных накопителей энергии (на базе
суперконденсаторов) и аккумуляторных батарей.
В четвертой главе обобщены методики оценки энергоемкости бортового
накопителя энергии и выполнено теоретическое исследование зарядноразрядных режимов работы емкостных и гибридных (суперконденсатор и
аккумуляторная батарея) накопителей энергии по критерию эффективности
энергообменных процессов.
Важнейшим вопросом при разработке и создании ГТПС является вопрос о
выборе энергоемкости бортового накопителя энергии. Оценку энергоемкости
бортового
накопителя
целесообразно
выполнять,
основываясь
на
его
функциональном назначении. По этому признаку бортовые накопители энергии
можно разделить на следующие группы.
1. Накопители энергии для выравнивания графика потребления мощности от
основного источника энергии (дизеля, газовой турбины) с целью снижения
неравномерности энергопотребления, повышения эффективности работы
основного источника энергии и уменьшения его номинальной мощности
(автономные локомотивы). Энергоемкость бортового накопителя должна
определяться на основе среднестатистических типовых кривых мощности путем
усреднения мощности, развиваемой первичным источником энергии, и
определения максимального приращения (убыли) энергии на всех интервалах
заряда (разряда) накопителя с учетом неиспользуемого запаса энергии.
2. Накопители энергии для аккумулирования энергии, вырабатываемой при
остановочном электрическом торможении моторвагонного подвижного состава
для использования ее при разгоне в следующем цикле движения. Энергоемкость
15
накопителя следует оценивать на основе среднестатистических типовых кривых
скорости для интервалов времени, соответствующих максимальному запасу
кинетической энергии в начале торможения, с учетом потерь мощности на этапе
заряда накопителя и неиспользуемого запаса энергии.
3. Накопители
энергии
для
аккумулирования
избыточной
энергии
рекуперации ЭПС в случае дисбаланса между генерированием и потреблением
рекуперируемой энергии (электровозы с рекуперативным торможением). Оценка
энергоемкости накопителя этой группы в наименьшей степени поддается
унификации и формализации, т.к. величина избыточной энергии определяется
множеством детерминированных и случайных факторов. Энергоемкость следует
оценивать на основе моделирования токовых нагрузок участка методом
мгновенных схем замещения с учетом размещения тяговых подстанций,
электрических характеристик тяговой сети, расположения поездов и режима
работы электровозов (тяга, рекуперативное торможение). В результате
моделирования методом перебора вариантов, учитывающих указанные выше
факторы, находятся интервалы времени, в течение которых напряжение на
токоприемнике электровоза превышает допустимое значение. Для этих
интервалов времени определяется избыточная энергия из условия сохранения
напряжения на токоприемнике на допустимом уровне.
Выполнен анализ энергоэффективности зарядно-разрядных процессов
бортовых накопителей в контурах, содержащих нагрузку с противо-ЭДС Е,
применительно к емкостному накопителю энергии (ЕН) и совместной работе ЕН
и аккумуляторной батареи (АБ). В общем случае противо-ЭДС Е при заряде и
разряде ЕН может изменяться; это соответствует режимам электрического
торможения и разгона ГТПС соответственно, если зарядно-разрядный контур
образован ЕН и тяговым двигателем постоянного тока. При фиксированном
значении омического сопротивления контура факторами, оказывающими
влияние на энергоэффективность заряда (З ) и разряда (р ), являются начальное
значение напряжения ЕН UC(0) и интенсивность изменения противо-ЭДС 1 :
16
⎧
1⎪
2
1 
�� − 2 (0)
 (0) − 
⎫
⎪
.з
З =
=
,
2⎨
1
1
⎬
⎪�0 −  (0)�(0 − 1 )1 з �2 1 з − (0 − 1 )�⎪
⎩
⎭
1 


2
),
з = − ln �−
� ; р =
; ЕН.р = (2 (0) − .
ЕН.р
2
 (0) − 0 − 1 
�0 + 1  ln �−
р
р
1
 = 1 р �0 − 1 р � + ( (0) − 0 + 1 ) �1 р  −  + (0 + 1 ) � −  − 1�� ,
2
1 
. = 0 + 1 р ; р = − ln �
�,
 (0) − 0 + 1 
где .з – энергия, запасаемая в ЕН за время заряда (з ) ЕН; 1 – энергия,
отдаваемая источником за время заряда ЕН;  – энергия, получаемая
источником противо-ЭДС за время разряда (р ); ЕН.р – энергия, отдаваемая ЕН
за время разряда; 0 – начальное значение противо-ЭДС;  =  – постоянная
времени контура;  = 0 + 1 .
1
0,65
ηз
0,9
0,8
0,55
0,7
0,6
0,5
0,5
0,45
0,4
0,4
0,3
0,35
0,2
0,3
Е1
0,1
0
ηр
0,6
0
1
2
Uc(0)/E=0,1
3
4
5
0,25
Uc(0)/E=0,8
Е1
0
1
Uc(0)/E=10
2
3
4
Uc(0)/E=2,5
Рисунок 2 – Зависимости
Рисунок 3 – Зависимости
энергоэффективности заряда ЕН от
энергоэффективности разряда ЕН от
относительного начального напряжения и
относительного начального напряжения и
интенсивности изменения противо-ЭДС
интенсивности изменения противо-ЭДС
Характер зависимостей энергоэффективности заряда и разряда от
указанных факторов представлен на рисунке 2 и рисунке 3 соответственно.
17
Существенным недостатком резистивных зарядно-разрядных контуров ЕН
являются
значительные
начальные
броски
тока,
которые
снижают
эффективность энергообменных процессов. В зарядно-разрядных контурах с
реакторами отсутствует начальный бросок тока; за счет энергии, запасаемой в
реакторе, удается заряжать ЕН до напряжения, близкого к удвоенному
напряжению источника ЭДС. Характер зависимостей энергоэффективности
заряда и разряда ЕН в контурах с реакторами от начального напряжения ЕН и
интенсивности изменения противо-ЭДС представлен на рисунке 4 и рисунке 5
соответственно.
1
ηз
1
1
0,98
3
2
1
2
3
0,8
3
0,75
3
0,7
3
0
2
0,85
0,92
0,88
2
0,9
0,96
0,9
1
1
0,95
2
0,94
ηр
1
0,65
E1
4
0,6
5
E1
0
1
2
3
4
5
Рисунок 4 – Зависимости
Рисунок 5 – Зависимости
энергоэффективности заряда ЕН в контуре с энергоэффективности разряда ЕН в контуре
реактором от начального напряжения ЕН и с реактором от начального напряжения ЕН и
интенсивности изменения противо-ЭДС.
интенсивности изменения противо-ЭДС.
Сплошная линия – R/ρ=0,2;
Сплошная линия – R/ρ = 0,2;
штриховая линия – R/ρ=0,1;
штриховая линия – R/ρ = 0,1;
1 – E0/UC(0) = 1,2; 2 – E0/UC(0) = 2,0;
1 – UC(0)/Е0=1,25; 2 – UC(0)/Е0=2,0;
3 – E0/UC(0) = 5,0
3 – UC(0)/Е0=3,0
Оценку эффективности процессов обмена энергией в контурах с реактором
при малых коэффициентах затухания можно выполнять, пользуясь следующими
упрощенными выражениями для заряда и разряда ЕН соответственно:

1
З ≈  (0) + �1 −  (0)� �1 +  − 2  � ;
2
18
р ≈
где
 (0) =
контура.
1
1
1 + 0
 (0)
0


�0 �2 −   − 4  � + �1 − 0 �  − 2  � ,
; 0 =
0
 (0)
;  =


;  – волновое сопротивление
η
0,98
0,96
0,94
0,92
0,9
0,88
0,86
0,84
0,82
0,8
IН, А
100
150
200
250
300
350
400
450
500
АБ (Uн=400 В)
АБ+ЕН (Uн=400 В)
АБ (Uн=500 В)
АБ+ЕН (Uн=500 В)
АБ (Uн=600 В)
АБ+ЕН (Uн=600 В)
АБ (Uн=750 В)
АБ+ЕН (Uн=750 В)
Рисунок 6 – Зависимости энергоэффективности η питания нагрузки с заданными
параметрами от одного источника (АБ – штриховые линии) и от гибридного источника
(АБ+ЕН – сплошные линии). Напряжение и ток нагрузки – UН=400...750 В; IН=100...500 А;
сопротивление АБ и ЕН – RБ=0,2 Ом; RС=0,02 Ом; емкость ЕН – C=100Ф; ЭДС АБ – Б =
Б / (0) = 0,9; длительность импульса нагрузки – И ⁄ = 1;  (0)⁄н ≈ 1,06 … 1,12
Питание
тяговой
нагрузки
от
гибридного
накопителя
энергии,
образованного соединением АБ и ЕН, позволяет повысить энергетическую
эффективность процесса (рисунок 6) за счет того, что пиковые значения тока
нагрузки в режимах пуска и разгона обеспечиваются в основном током ЕН,
типовое значение внутреннего сопротивления которого на один-два порядка
меньше, чем типовые значения внутреннего сопротивления АБ. В режимах
относительно малых токов нагрузки (например, движение с установившейся
скоростью)
питание
потребителя
от
19
гибридного
источника
энергии
нецелесообразно. В этом случае более эффективным является питание нагрузки
от АБ.
На основе баланса мощности энергоэффективность питания нагрузки от
АБ при допущении постоянства тока и напряжения нагрузки (н = , н =
) может быть записана в виде (штриховые линии на рисунке 6):
 =
Н
1
1
=
=
,


 1 + Б Н 1 + Б


Н
Н
где Н ,  – энергия, получаемая нагрузкой, и энергия, отдаваемая АБ,
соответственно; Б , Н – сопротивление АБ и нагрузки соответственно.
При тех же допущениях для случая питания нагрузки от гибридного
накопителя энергии (ЕН и АБ) энергоэффективность может быть представлена в
виде (сплошные линии на рисунке 6):
 =
× � 2Б ��1 −
И
 −  �
Н
=
 + 
Н Н И
,
2 (0)
(1 − )
Б Н И +
2
Н
 = �1 − Б
�×
Н + Б
2

2
Н
Н
Н
2
− И
− И
+
  � + �1 − Б
�   � − Б �
�
Н + Б
Б + Н
Н + Б
где  – энергия, отдаваемая ЕН; Б =
Б
 (0)
– относительное значение
ЭДС АБ; И – длительность импульса нагрузки;  – постоянная времени цепи
разряда ЕН.
Начальное напряжение ЕН и ЭДС АБ должны соответствовать режиму
нагрузки, то есть напряжению, току и времени питания нагрузки. Это приводит
к необходимости управления режимами и согласования параметров всех
структурных
элементов,
полупроводниковых
образующих
преобразователей,
энергосистему,
управляемых
посредством
единой
системой
управления в соответствии с заданными алгоритмами работы по сигналам
датчиков обратных связей.
В пятой главе обоснована топология силовой энергетической установки
ГТПС, разработаны схемные решения силовой части и системы управления
20
гибридной силовой энергоустановкой и выполнено моделирование основных
процессов.
Для силовых установок перспективного ГТПС наиболее целесообразна
мультиконверторная
топология
с
двумя
накопителями
энергии
(суперконденсатора и аккумуляторной батареей) и общей шиной постоянного
тока. Такая топология позволяет независимо управлять потоками электрической
энергии двух накопителей с различными характеристиками, обеспечивая полное
и эффективное использование свойств каждого накопителя и обеспечивает
живучесть
силовой
энергетической
установки
в
условиях
аварийного
отключения (отказа) одного из накопителей.
На
базе
мультиконверторной
гибридной
топологии
разработана
многофункциональная модель, включающая силовую часть и систему
управления, которая позволяет исследовать переходные процессы в различных
режимах работы гибридного тягового подвижного состава. В разработанной
модели
тяговый
двигатель
постоянного
тока
имеет
последовательное
возбуждение и питается от преобразователей, работающих в импульсном
режиме. В связи с этим в математической модели тягового двигателя должно
быть учтено влияние вихревых токов, которые наводятся в массивных частях
машины, на процесс изменения магнитного потока. Известно, что при
построении систем управления это влияние может быть с достаточной
точностью учтено тремя апериодическими звеньями первого порядка, однако
существующие
методики
определения
параметров
этих
звеньев
дают
существенно разнящиеся результаты. По этой причине была разработана
методика экспериментального определения параметров динамических звеньев
тяговых двигателей постоянного тока, учитывающая влияние вихревых токов на
переходные процессы, на основании которой разработана уточненная модель
тягового двигателя.
По результатам моделирования процессов в силовой энергосистеме
гибридного
транспортного
средства
разработан
ряд
рекомендаций
построению силовой части и алгоритмов управления энергосистемой:
21
по
1. При питании тягового двигателя от двух накопителей энергии –
аккумуляторной
батареи
и
батареи
суперконденсаторов
целесообразно
осуществлять пуск на первом этапе при питании от суперконденсатора с работой
преобразователя в режиме понижения напряжения.
2. При выравнивании потенциалов тягового двигателя и суперконденсатора
необходим перевод преобразователя в режим повышения напряжения.
3. Для обеспечения стабильной работы гибридной энергосистемы в режиме
разгона
транспортного
средства
предложена
усовершенствованная
конфигурация силовой части комбинированного преобразователя: повышающий
контур должен быть подключен непосредственно к суперконденсатору, а
понижающий контур – на выход повышающего через промежуточный буферный
конденсатор, который обеспечивает поддержание заданной уставки тока якоря
тягового двигателя и непрерывное преобразование энергии накопителя.
Характер переходных процессов при пуске и разгоне ГТПС за счет энергии
суперконденсаторного накопителя при построении силовой части DC-DC
преобразователя в соответствии с приведенными рекомендациями и работе его в
режимах понижающего и повышающего преобразования представлен на
рисунке 7.
В шестой главе разработаны основы организации систем управления
энергией и мощностью ГТПС. Фундаментальной задачей системы управления
энергией
ГТПС
является
управление
потреблением,
выработкой
и
аккумулированием энергии для 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: генерация электроэнергии; контроль за качеством и
стабильностью электроэнергии; координация потоков энергии и мощности;
22
Рисунок 7 – Переходные процессы при пуске и разгоне ГТПС от суперкондесаторного накопителя
23
управление максимальной (пиковой) мощностью; управление регенерируемой
мощностью.
Наличие на ГТПС нескольких видов накопителей энергии требует решения
задачи оптимального распределения между ними требуемой мощности. Для
этого
необходима
стратегия
координации
потоков
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 ограничений.
Проблему управления мощностью и энергией ГТПС необходимо
рассматривать как три основных процесса – управление энергией, управление
мощностью и управление преобразователями, объединенных логическими
связями,
что
обеспечивает
структурированную
основу
для
будущих
исследований. В основу описания исследуемой проблемы должна быть
положена модель иерархической структуры, которая наилучшим образом
соответствует существу задачи, способствует унифицированному описанию
управления потребляемой энергией и мощностью, а также формирует основу
структуры проектирования.
Первым уровнем иерархической структуры является уровень управления
энергией, который включает в себя долгосрочные периодические решения о
распределении энергии, получаемой от различных источников в произвольных
циклах движения. Решения по управлению энергией представляют собой
«стратегию» системы. Стратегия управления энергией обрабатывает медленные
динамические параметры, такие как состояние заряда аккумуляторной батареи и
суперконденсатора, кинетическая энергия транспортного средства, и режим
движения.
Следующим
уровнем
иерархического
процесса
является
уровень
управления мощностью. При наличии задачи, определенной стратегией системы,
процесс управления мощностью определяет решения по разделению требуемой
тяговым приводом общей мощности между несколькими системами хранения
24
энергии. Эти решения по управлению мощностью соответствуют понятию
«политики» модели иерархического управления. Поскольку на втором уровне
иерархии система обрабатывает потоки мощности, распределенные между
несколькими источниками, ее быстродействие в несколько раз выше, чем
скорость принятия решений на первом уровне иерархии.
Нижним уровнем в рассматриваемой модульной структуре является
уровень силовой электроники, который отвечает за физическое «смешивание»
потоков мощности нескольких источников энергии, используя весовые
коэффициенты, определяемые на уровне управления мощностью. На этом
уровне запросы на требуемую мощность преобразуются в соответствующие
функции управления силовыми преобразователями тягового привода и
вспомогательных цепей в режиме реального времени.
Архитектура многоуровневой системы управления энергией и мощностью
ГТПС, основанная на иерархической модели управления, приведена на
рисунке 8.
Рисунок 8 – Архитектура иерархической системы управления энергией и мощностью ГТПС
В седьмой главе выполнено технико-экономическое обоснование
целесообразности применения накопителей энергии на тяговом подвижном
составе. Применение накопителей энергии на тяговом подвижном составе
25
направлено на получение экономического эффекта в виде снижения
эксплуатационных затрат на тягу поездов. В качестве базы для внедрения и
применения гибридных локомотивов с накопителями энергии рассмотрены
маневровые локомотивы.
Рассмотрены затраты по базовому локомотиву – маневровому тепловозу
ТЭМ18ДМ, выпускаемому в настоящее время и эксплуатируемому на сети
железных дорог, и инновационным маневровым локомотивам (ИМЛ) трех типов:
- автономный электровоз (ИМЛ-Н), использующий для работы двигателей
электрическую энергию, получаемую от накопителей электрической энергии;
- гибридный электровоз (ИМЛ-СН), использующий электрическую
энергию, получаемую как от контактной сети, так и от накопителей
электрической энергии;
- гибридный тепловоз (ИМЛ-ДН), оснащаемый одновременно дизельным
двигателем и накопителем электрической энергии, используемым при трогании
с места для быстрого запуска дизель-генераторной установки и для тяги при
«пиковых» нагрузках (энергия от ДГУ будет использована совместно с энергией
накопителя).
Нормативный
срок
службы
ИМЛ
соответствует
требованиям,
предъявляемым к инновационному подвижному составу и принят равным
40 годам, что превышает аналогичный показатель базового локомотива, равный
32 годам.
В работе осуществлен расчет технологического эффекта от использования
ИМЛ и срока окупаемости. В качестве технологического эффекта ожидается
сокращение совокупных (инвестиционных и эксплуатационных) затрат по ИМЛ
относительно базового локомотива. Срок окупаемости определен как момент,
после которого совокупные затраты по ИМЛ становятся меньше, чем
совокупные затраты по базовому локомотиву. Расчет показывает, что
инвестиционные затраты по ИМЛ будут выше, чем по базовому локомотиву, при
этом
произойдет
существенное
сокращение
эксплуатационных
затрат,
позволяющее получить положительную величину технологического эффекта
26
(дисконтированные значение): по ИМЛ-Н – 3,59 млн.руб, по ИМЛ-СН – 47,88
млн.руб, по ИМЛ-ДН – 27,84 млн.руб.
Источниками для снижения затрат станут:
- экономия на топливно-энергетических ресурсах, достигаемая за счет
меньшей стоимости электрической энергии относительно дизельного топлива
(для ИМЛ-Н и ИМЛ-СН);
- запасание энергии в накопителях при электрическом торможении и
последующее ее использование на разгон;
-
оптимизация работы дизельного двигателя при использовании
накопителей электрической энергии (для ИМЛ-ДН).
Получены следующие значения дисконтированных сроков окупаемости по
ИМЛ: ИМЛ-Н – 7,3 года, ИМЛ-ДН – 6,3 года. Для ИМЛ-СН срок окупаемости
не рассчитан ввиду меньшей стоимости локомотива относительно базового.
Наиболее эффективным с экономической точки зрения признан локомотив
с дизельным двигателем и накопителем электрической энергии, как имеющий
хорошие показатели эффективности и не требующий дополнительной
инфраструктуры, а следовательно, с минимальным риском увеличения затрат
при внедрении.
В заключении сформулированы основные выводы по работе и
рекомендации по развитию научных исследований, дальнейшему поиску
технических решений и внедрению гибридных технологий в конструкцию
тягового подвижного состава.
В приложениях представлены основные технические характеристики
гибридного
тягового
подвижного
состава
отечественных
и
мировых
производителей, результаты экспериментальных исследований по влиянию
вихревых токов в магнитопроводе тягового двигателя постоянного тока на
изменение магнитного потока в переходных режимах, методика эмпирического
определения параметров инерционных звеньев, моделирующих влияние
вихревых токов в магнитопроводе на изменение магнитного потока тягового
двигателя, расчеты по технико-экономическому обоснованию целесообразности
27
внедрения бортовых накопителей энергии на тяговый подвижной состав, а также
акты внедрения результатов диссертации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Сформулированы основные направления повышения функциональности и
энергетической эффективности тягового подвижного состава.
2. Приоритетным направлением, обеспечивающим качественный скачок в
повышении энергетической эффективности и функциональности тягового
подвижного состава является разработка и создание гибридных силовых
энергетических установок, в состав которых входит основной источник энергии
(контактная сеть дизель-генераторная или турбогенераторная установка) и
бортовые накопители энергии.
3. Разработана системная классификация гибридного тягового подвижного
состава, характеризующая специфику архитектуры силовых энергоустановок
транспортных средств. Для количественной характеристики основных свойств
гибридного тягового подвижного состава разработана система показателей и
методика сравнительной оценки его технического уровня, энергетической
эффективности и конкурентоспособности.
4. Условиям работы тягового подвижного состава в наилучшей степени
соответствуют
свойства
суперконденсаторов),
необходимой
для
емкостного
обладающего
накопителя
большой
энергообеспечения
энергии
удельной
пуско-тормозных
(батарея
мощностью,
режимов
и
кратковременных режимов форсировки мощности, и электрохимического
накопителя энергии (аккумуляторная батарея), обладающего свойством
длительного разряда, необходимого для энергообеспечения режима движения с
установившейся скоростью.
5. Выбор энергоемкости бортового накопителя энергии необходимо
выполнять на основании его функционального назначения. В работе обобщены
методики оценки энергоемкости бортовых накопителей, предназначенных для
выравнивания графика нагрузки и снижения установленной мощности
28
первичного источника энергии, для аккумулирования энергии остановочного
торможения тягового подвижного состава, а также для аккумулирования
избыточной энергии рекуперативного торможения.
6. Выполнен анализ энергоэффективности зарядно-разрядных процессов
бортовых накопителей энергии применительно к емкостному накопителю и
совместной работе емкостного накопителя и аккумуляторной батареи. Получены
соотношения для расчета эффективности энергообменных процессов в силовых
энергоустановках с накопителями энергии. Показано, что в тяжелых тяговых
режимах питание тяговой нагрузки от гибридного накопителя энергии,
образованного
параллельным
соединением
суперконденсатора
и
аккумуляторной батареи, позволяет сократить потери энергии.
7. Анализ топологий построения силовых гибридных энергоустановок
показал, что мультиконверторная топология с емкостным и аккумуляторным
накопителями
энергии
позволяет
электрической
энергии
накопителей
независимо
с
управлять
различными
потоками
характеристиками,
обеспечивая все режимы движения за счет полного и эффективного
использования свойств каждого накопителя, а также обладает большей
гибкостью и обеспечивает живучесть силовой энергетической установки в
условиях аварийного отключения (отказа) одного из накопителей.
8. На
базе
мультиконверторной
гибридной
топологии
разработана
многофункциональная компьютерная модель, включающая силовую часть и
систему управления, которая позволяет исследовать переходные процессы в
различных режимах работы гибридного тягового подвижного состава.
Разработана методика определения уточненных параметров тяговых двигателей
постоянного тока, учитывающая влияние вихревых токов на изменение
магнитного потока возбуждения, и разработана уточненная модель тягового
двигателя, которая является структурной частью общей модели гибридной
силовой установки.
9. Моделирование процессов пуска и разгона транспортного средства с
29
гибридной силовой установкой показало работоспособность предложенных
схемных решений силовой части преобразователя и системы управления.
10. Проблема управления энергией и мощностью в гибридной силовой
установке требует комплексного системного подхода. Проблему управления
мощностью и энергией необходимо рассматривать как три основных процесса
(управление энергией, управление мощностью, управление преобразователями),
объединенных
логическими
связями
и
иерархией,
что
обеспечивает
структурированную основу для будущих исследований.
11. Выполнено технико-экономическое обоснование внедрения гибридных
технологий на тяговый подвижной состав, выполняющий маневрово-вывозную
работу. Оценено сокращение эксплуатационных затрат за расчетный срок
службы (40 лет), которое по отношению к базовому локомотиву (ТЭМ18ДМ)
составляет 21,9% и 19% для гибридного маневрового электровоза и гибридного
маневрового тепловоза соответственно. Сокращение эксплуатационных затрат
достигается за счет рационального использования кинетической энергии,
запасаемой в бортовых накопителях, меньшей стоимости электрической энергии
по сравнению с дизельным топливом и оптимизации работы первичного
теплового двигателя локомотива в энергосистеме с накопителями энергии.
12. По результатам диссертационной работы сформулированы рекомендации
по развитию научных исследований, дальнейшему поиску технических решений
и внедрению гибридных технологий в конструкцию тягового подвижного
состава.
НАИБОЛЕЕ ЗНАЧИМЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Публикации в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ
1. Евстафьев, А.М. Применение суперконденсаторов на электрическом
подвижном
составе
[Текст]
/
А.М.
Евстафьев
//
электрооборудование транспорта. – 2009. – № 1. – С. 16-19.
30
Электроника
и
2. Мазнев,
А.С.
Применение
энергонакопительных
устройств
на
электроподвижном составе [Текст] / А.С. Мазнев, А.М. Евстафьев // Транспорт
Урала. – 2009. – № 2. – С. 83-85.
3. Евстафьев, А.М. Об использовании суперконденсаторов [Текст] / А.М.
Евстафьев // Железнодорожный транспорт. – 2010. – № 2 – С. 31-32.
4. Мазнев, А.С. Повышение эффективности электроподвижного состава
[Текст] / А.С. Мазнев, А.М. Евстафьев // Железнодорожный транспорт. – 2010. –
№ 9. – С. 33-36.
5. Евстафьев, А.М. Переход к цифровому управлению тяговым приводом
электрического подвижного состава [Текст] / А.М. Евстафьев // Электроника и
электрооборудование транспорта. – 2010. – № 4. – С. 24-28.
6. Евстафьев,
А.М.
Применение
цифровых
систем
управления
на
электрическом подвижном составе [Текст] / А.М. Евстафьев // Транспорт: наука,
техника, управление. – 2010. – № 10. – С. 10-13.
7. Евстафьев,
А.М.
Применение
современных
устройств
активной
фильтрации на электрическом подвижном составе переменного тока для
повышения качества электрической энергии [Текст] / А.М. Евстафьев //
Транспорт: наука, техника, управление. – 2010. – № 12. – С. 28-32.
8. Евстафьев, А.М. Перспективы развития интеллектуальных бортовых
систем управления электрического подвижного состава [Текст] / А.М. Евстафьев
// Электроника и электрооборудование транспорта. – 2014. – № 2. – С. 29-34.
9. Усовершенствование способа определения параметров динамических
звеньев,
учитывающих
действие
вихревых
токов в электродвигателях
постоянного тока [Текст] / А.В. Плакс, А.Я. Якушев, А.М. Евстафьев, В.М.
Мищенко // Электроника и электрооборудование транспорта. – 2014. – № 6. – С.
30-33.
10. Евстафьев, А.М. Повышение энергетической эффективности гибридного
локомотива [Текст] / А.М. Евстафьев // Электроника и электрооборудование
транспорта. – 2015. – № 2. – С. 6-10.
31
11. Евстафьев, А.М. Оценка энергоемкости бортового накопителя энергии
для тягового подвижного состава [Текст] А.М. Евстафьев // Бюллетень
результатов научных исследований. –2018. – №2. – с. 7-17.
Публикации в других изданиях
12. Титова, Т.С. Повышение энергетической эффективности локомотивов с
накопителями энергии [Текст] / Т.С. Титова, А.М. Евстафьев // Известия
Петербургского университета путей сообщения. – 2017. – Т. 14. – № 2. – с. 200210.
13. Титова,
Т.С.
электропривода
Энергоэффективные
электрического
системы
подвижного
вспомогательного
состава
[Текст]
/
Т.С. Титова, А.М. Евстафьев // Транспорт Российской Федерации. – 2017. – № 5
(72). – с. 60-63.
14. Титова, Т.С. Инновационные системы управления электрического
подвижного состава [Текст] / Т.С. Титова, А.М. Евстафьев // Железнодорожный
транспорт. – 2017. – № 11. – С. 54-59.
Диссертационное исследование выполнено по гранту ОАО «РЖД» на
развитие научно-педагогических школ в области железнодорожного
транспорта.
Автор выражает глубокую благодарность своему Учителю, Заслуженному
изобретателю РФ, д.т.н., профессору А.С. Мазневу за ценные советы и
замечания, высказанные им в ходе работы над диссертацией.
Подписано к печати
17.09.2018 г.
Печ.л. 2,0
Печать – ризография.
Бумага для множит.апп.
Формат 60х84 1/16
Тираж 100 экз.
-----------------------------------------------------------------------------------------ПГУПС, 190031, г. C-Петербург, Московский пр., 9
32
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
5
Размер файла
1 291 Кб
Теги
эффективность, энергетическая, электрической, состав, повышения, подвижном
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа