На правах рукописи

Спиридонов Егор Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

В ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТНЫХ КОМПЛЕКСАХ

С НАКОПИТЕЛЬНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Новосибирск – 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет».
Научный руководитель:
- доктор технических наук, доцент

Аносов Владимир Николаевич
Официальные оппоненты:
- доктор технических наук, профессор

Малинин Леонид Иванович
- доктор технических наук, профессор

Горелов Валерий Павлович
Ведущая организация:

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования
«Сибирский федеральный университет», г. Красноярск.

Защита диссертации состоится 16 декабря 2010 г. в 10⁰⁰ на заседании диссертационного совета Д 212.173.04 Новосибирского государственного технического университета по адресу: 630092, г. Новосибирск, пр. К.Маркса, 20.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета

Автореферат разослан «12 » ноября 2010 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

канд. техн. наук, доцент Бородин Н.И.

Актуальность проблемы. В связи с либерализацией энергетического рынка России предполагается рост цен на энергоносители. Это приведёт к неизбежному повышению энергетической составляющей затрат в энергоёмких отраслях промышленности с темпами 6-8% в год, что потребует не только внедрения энергосберегающих технологий во все отрасли промышленности, но и разработки принципиально новых решений, направленных на повышение эффективности преобразования энергии. Важность решения данной проблемы зафиксирована в Федеральной целевой программе «Энергоэффективная экономика» на 2007-2010 годы и на период до 2015 года».

В современных условиях перспективными направлениями повышения эффективности электротранспортных комплексов являются разработка и внедрение новых технологий в области электроподвижного состава (ЭПС) и систем тягового электроснабжения (СТЭ), повышающих эффективность преобразования энергии во всех элементах комплекса. При разработке этих направлений необходимо учитывать и анализировать не только отдельные элементы комплекса, но и их взаимные связи.

---

Одним из таких направлений в нашей стране и за рубежом является разработка и внедрение в транспортные комплексы новых видов источников энергии, позволяющих повысить эффективность использования энергии электроподвижным составом и способных придавать неавтономным транспортным средствам новые свойства, такие как, автономный ход.

К настоящему времени накоплен большой опыт по исследованию вопросов преобразования энергии на электрическом транспорте. Значительный вклад в решение вопроса, связанного с разработкой энергоэффективных тяговых приводов и разработкой методов снижения энергопотребления на движение поезда внесли учёные: И.С. Ефремов, В.Е. Розенфельд, К.Г. Марквардт, В.П. Феоктистов, В.В. Шевченко, A. Ruffer, Д.А. Бут, Н.И. Щуров, В.И. Сопов, А.А. Штанг и др.

Вторым направлением, исследующим применение накопителей энергии в транспортном комплексе, является область автономного электрического и гибридного транспорта. Значительный вклад в области исследований выравнивания нагрузок на тяговые аккумуляторные батареи с помощью накопителей энергии, а также разработки методов проектирования таких накопителей внесли российские и зарубежные учёные: К.Л. Богданов, В.Н. Аносов, И.Н. Варакин, M. Zolot, K.J. Kelly, T. Markel, A.Burke и др.

Известные работы, выполненные различными научными школами, в основном содержат решение отдельных задач, связанных с вопросами энергосбережения и не содержат комплексных исследований взаимосвязей между элементами электротранспортного комплекса. На сегодняшний день нет однозначного решения относительно места установки накопителя энергии (НЭ) в электротранспортном комплексе. Это, в первую очередь связано с тем, что накопители энергии могут выполнять различные функции. Между тем, наличие на борту подвижного состава дополнительного источника энергии позволяет не только эффективно использовать энергию торможения в форме регенеративного торможения (взамен рекуперации, которая в этом случае является менее эффективной), но и изменять форму тока поезда, потребляемого из сети, обеспечивая тем самым снижение нагрузки на тяговые сети.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности использования энергии в электротранспортных комплексах с накопителями энергии.

Для достижения поставленной цели в работе поставлены следующие задачи:

1. 
   Провести комплексный анализ схемотехнических решений различных элементов электротранспортного комплекса с накопительными устройствами.
   
2. 
   Исследовать теоретически влияние формы кривой тока поезда на пропускную способность контактной сети и потери энергии в элементах системы электроснабжения.
   
3. 
   Провести оценку влияния режимов работы накопительных устройств на энергетические показатели электротранспортного комплекса в целом.
   
4. 
   Разработать алгоритм управления тяговым электроприводом, обеспечивающий эффективное использование энергии торможения подвижного состава и снижение нагрузки на систему электроснабжения в режиме тяги.
   
5. 
   Разработать методику расчёта параметров накопителя энергии для размещения его на электроподвижном составе.
   
6. 
   Разработать структурную и имитационную модели для анализа электромагнитных процессов в энергоэффективном тяговом приводе.
   
7. 
   Исследовать работу тягового электропривода с накопителем энергии на физической модели.
   

---

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является система наземного городского электрического транспорта. Необходимость выделения системы наземного городского электрического транспорта (ГЭТ) из общего электротранспортного комплекса продиктована наличием большого числа случайных факторов, оказывающих существенное влияние на режимы работы всей системы.

Предметом исследования являются энергетические характеристики электроподвижного состава, оборудованного накопителями энергии и перераспределение энергетических потоков в системе наземного ГЭТ при использовании накопителей электрической энергии.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использован комплексный метод исследований, включающий в себя анализ и обобщение данных научно-технической литературы, теоретические и экспериментальные методы. В основе теоретических исследований лежат методы математического, структурного и имитационного моделирования с применением прикладных программных пакетов, методы теории электрических цепей. Достоверность полученных результатов обеспечивается параллельным использованием различных моделей, а также их подтверждением в ходе экспериментальных исследований.
Основные положения, выносимые на защиту.

1. 
   Доказательство эффективности выравнивания нагрузок тяговой сети с помощью накопителя энергии, установленного на подвижном составе; аналитические выражения для расчётов среднеквадратичного тока поезда при различных режимах работы накопителя энергии.
   
2. 
   Результаты исследований влияния формы тока поезда на величину потерь энергии в тяговой сети и пропускную способность контактной сети по условиям максимального тока.
   
3. 
   Способы повышения эффективности использования энергии торможения подвижного состава в режиме регенеративного торможения взамен рекуперации.
   
4. 
   Пути снижения массогабаритных показателей накопителя энергии при использовании регулирования тока возбуждения тяговой электрической машины в режиме торможения.
   

Научная новизна полученных результатов.

• 
  Установлено, что для выравнивания нагрузок в тяговых сетях электротранспортных комплексов, характеризующихся значительным непостоянством энергопотребления, наиболее эффективным является применение накопителей энергии на электроподвижном составе, а не в системе электроснабжения.
  
• 
  Предложены новые алгоритмы управления накопителями энергии, установленными на электроподвижном составе, позволяющие более эффективно выравнивать нагрузки элементов системы электроснабжения и повышающие эффективность передачи энергии от тяговых подстанций до транспортного средства.
  
• 
  Предложена и обоснована методика определения параметров накопителя энергии для ограничения тока поезда, обеспечивающая более эффективное использование накопителя при снижении его массогабаритных параметров.
  

---

Практическая значимость полученных результатов заключается в решении задачи создания новых способов управления тяговым приводом, позволяющих повысить эффективность использования энергии электрического торможения подвижного состава с помощью накопительных устройств. Разработаны инженерные методики расчёта параметров накопительных устройств для системы наземного ГЭТ. Совокупность полученных результатов позволяет эффективно использовать энергию торможения подвижного состава и минимизировать потери энергии в элементах системы тягового электроснабжения.

Использование на практике разработанных алгоритмов и моделей позволит создавать энергоэффективные тяговые электроприводы для троллейбусов и трамваев, а также производить модернизацию уже существующего парка подвижного состава.

Реализация результатов работы. Созданная физическая модель тягового привода с накопителем энергии, представляющая интерес для дальнейших исследований, использована в учебном процессе в качестве лабораторного стенда в дисциплинах «Тяговый электропривод» и «Основы электрического транспорта: Теория электрической тяги» при подготовке студентов по направлению 140600 – Электротехника, электромеханика и электротехнологии в Новосибирском государственном техническом университете. Разработанные имитационные и математические модели также используются в образовательном процессе при подготовке магистров по направлению 140600 и инженеров по направлению 140606 – Электрический транспорт.

Основные результаты работы были использованы в ходе выполнения работ по гранту молодым учёным мэрии г. Новосибирска (Договор №26-08 от 12 декабря 2008г.) при выполнении проекта № 2.1.2/4159 по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 – 2010 годы)».

Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Традиционной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, МЭИ, 2007г.); Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, НГТУ, 2005 и 2009гг.); Ежегодных научных сессиях факультета мехатроники и автоматизации НГТУ (2007, 2008, 2009гг.), а также научных семинарах кафедры «Электротехнические комплексы» НГТУ.

---

Публикации. Всего опубликовано 24 работы, из которых по теме диссертации - 9, в том числе:

- 7 статей, вошедших в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий;

- 1 статья в сборнике научных трудов;

- 1 доклад на международной конференции.

В работах 1, 7 соискателю принадлежит постановка задачи и её решение. Выводы сделаны соавторами совместно. В работах 2,3,4,5,8,9 соискателю принадлежит решение задачи. Постановка задачи и выводы сделаны соавторами совместно.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка библиографических источников из 92 наименований и приложений. Общий объём диссертации 165 страниц текста, включая 89 рисунков и 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражены научные проблемы, актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, описаны методы исследований. Приведены основные положения, выносимые на защиту, изложены сведения о научной новизне и практической значимости, реализации и апробации работы.

В первой главе выполнен всесторонний анализ существующих схемных и технических решений в области электротранспортных комплексов с накопителями энергии. Рассмотрены вопросы, связанные с применением накопителей энергии в системе тягового электроснабжения и непосредственно на подвижном составе. Отдельное внимание уделено работам в области гибридных силовых установок для автомобильного транспорта и электромобилей.

Выделены три основных направления исследований, связанных с применением накопителей энергии в транспортных комплексах: разработка накопителей энергии для аккумулирования энергии торможения; выравнивание нагрузок тяговой сети с помощью накопительных устройств и разработка гибридных источников энергии для электромобилей с целью сглаживания колебаний тока, протекающего через тяговый аккумулятор.

Установлено, что наиболее распространёнными являются накопители энергии на базе конденсаторов двойного электрического слоя, а также электромеханические и электрохимические накопители.

Также показано, что вопрос влияния режимов работы накопительного устройства, размещённого на борту транспортного средства, на энергетические характеристики системы тягового электроснабжения требует дополнительных исследований, связанных с поиском способов выравнивания нагрузок и снижения потерь энергии при её передаче до потребителя.

---

Смотрите также файлы

• Физика 3.doc

• Маркетинговый план и особенности его разработки в турагентствах.pdf

• Заключение Список использованных источников.pdf

• Гражданское судопроизводство.docx

• Итоговый контроль по дисциплине Человек и его права в контексте современной реальности.docx