Разработка и исследование системы электроснабжения железнодорожного вагона повышенной комфортности

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Выводы.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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