Крюков А.В. Энергосбережение: Технологии, Приборы, Оборудование (Сборник научных трудов Иркутск)

Подождите немного. Документ загружается.

При этом надо иметь в виду и энергетический аспект проблемы.

Повышение среднесетевого коэффициента возврата электроэнергии даже

на 1% перекрывает годовую эффективность всех мероприятий

энергосбережения по отраслевой программе ресурсосбережения в области

электрической тяги. Суммарно подобное приводит к снижению на 0,5...0,7

% удельного расхода электроэнергии на тягу поездов.

Естественно, когда в условиях энергодефицита ведется всемерный

поиск альтернативных источников энергии (ветер, солнце, биотопливо,

диверсификация углей и т.д.), пренебрегать таким мощным источником,

как обратимая кинетическая энергия поезда, нельзя. Реостатное

торможение, к сожалению, переводит ее в тепло, идущее на обогрев

атмосферы. Применению рекуперации должно способствовать внедрение

современных высокоэнергоемких накопителей энергии, которые в

ближайшие годы могут быть доступны для систем тягового

электроснабжения железных дорог.

Российские железные дороги располагают широкими возможностями

для расширения полигона рекуперации. Меньше половины протяженности

сети расположены на площадке, 30 % участков имеют уклоны 4...8 ‰, 17 %

– 8…15 ‰, 2 % – 15...25 ‰. В связи с переводом до 2015 г. всего парка

пассажирских поездов на электрическое отопление и кондиционирование

воздуха, предусмотренным «Стратегией развития железнодорожного

транспорта РФ до 2030 года», открывается широкая возможность

использовать для этих целей рекуперацию энергии непосредственно от

электровоза (особенно – в сочетании с накопителем энергии).

На наш взгляд, необходимо создавать отраслевую программу по

широкому использованию рекуперативного торможения на сети дорог.

Восточно-Сибирская железная дорога потенциально одна из самых

эффективных по полигону рекуперации и в то же время одна из первых на

сети приближена к граничным условиям этой эффективности из-за

высокого заполнения пропускных способностей.

УДК 621.331

Н.Л. Рябченок, Т.Л. Алексеева, Л.А. Астраханцев, А.И. Орленко,

Н.Л. Михальчук, В.А. Тихомиров, С.А. Климов

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

ДЛЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Ресурсосберегающие технологии применяются в локомотивном

хозяйстве для обеспечения перевозочного процесса, технического

обслуживания, ремонта подвижного состава, управления стационарными

энергетическими установками, оборудованием микроклимата и

осветительных аппаратов производственных, административных и

бытовых помещений. Высокое качество выполнения технологических

процессов и сбережение энергетических, материальных и трудовых

ресурсов можно обеспечивать за счет использования полупроводниковых

преобразователей, применяемых для преобразования параметров

энергоносителя и для управления технологическими установками.

Преобразователи для наиболее энергоемких электротермических

технологий обеспечивают до 20…40 % экономии электроэнергии и по

эффективности уступают только мероприятиям по снижению потерь

тепловой энергии. Упрочнением поверхностей деталей с помощью

индукционной плазмы достигается качество продукции, которое нельзя

получить другими методами, и сокращается расход первичного

энергоносителя в 3…4 раза по сравнению с использованием для этих целей

газа. Индукционная пайка медных изделий позволяет исключить примеси

флюсов и электродов в местах сварки, которые зачастую являются очагами

пожаров на подвижном составе, и повышать качество электрических

соединений. Ускоренная и экономичная сушка изоляции электрических

машин и аппаратов после пропитки выполняется токами высоких и

сверхвысоких частот, которые вырабатываются инверторами.

Управляемый электропривод, обеспечивающий требуемые статические и

динамические характеристики, высокие энергетические показатели и

позволяющий снизить эксплуатационные затраты, возможен при

использовании совершенных полупроводниковых преобразователей.

К настоящему времени выполнен большой объем научно-

исследовательских работ по совершенствованию преобразовательной

техники, накоплен полезный опыт разработки электронного оборудования

для железнодорожного транспорта. Дальнейшая разработка электронных

преобразователей для ресурсосберегающих технологий подстегивается

резервами возможностей данной техники, которые не реализованы в

России и за рубежом, а также необходимостью устранения

методологических проблем в процессе подготовки специалистов.

На основе закона сохранения электромагнитной энергии авторами

разработана теория энергетических процессов в электрических цепях с

полупроводниковыми приборами. Данная работа позволила исключить

противоречие теории энергетической оценки преобразовательной техники,

которая используется в научных исследованиях и в учебном процессе,

фундаментальным законам. Кроме того, разработанная теория

энергетических процессов позволила выявить перспективные направления

совершенствования электронных преобразователей для

ресурсосберегающих технологий [1].

В настоящее время разработка и производство преобразовательной

техники сосредоточено в основном на изготовлении преобразователей,

которые в режимах управления снижают мощность на выходе по

сравнению с мощностью на входе технологической установки,

оснащенной такими устройствами. К преобразователям напряжения можно

отнести управляемые выпрямители, регуляторы напряжения,

четырехквадрантные преобразователи, инверторы, импульсные

преобразователи и другие устройства. Известные преобразователи

напряжения в режимах управления технологическими процессами

ухудшают энергетические показатели устройств по сравнению с

энергетическими показателями установок в номинальном режиме работы.

Возникают также проблемы электромагнитной совместимости

технологических установок, оснащенных преобразователями напряжения,

с питающими электрическими сетями и потребителями электрической

энергии. Поэтому разработчики и изготовители данной техники

рекомендуют использовать фильтры и экранированные кабели для

снижения помех и решения организационных вопросов с энергонадзором

[2, 3]. Проблемы, которые неизбежно возникают в процессе эксплуатации

такой техники, трудно обнаружить даже специалистам, так как

технические характеристики изделия принято указывать для номинального

режима работы, а в номинальном режиме ранее указанные недостатки

обычно отсутствуют.

С помощью полупроводниковых преобразователей входного

электрического сопротивления для технологических установок можно

повысить их энергетические показатели в режимах управления по

сравнению с аналогичными показателями в номинальных режимах работы

и обеспечить электромагнитную совместимость преобразователей с

питающими сетями и нагрузкой без использования фильтров и

компенсаторов реактивной энергии. С 1990 года разрабатываются

полупроводниковые преобразователи входного электрического

сопротивления электротермических установок со ступенчатым

регулированием мощности [4, 5]. Производственными испытаниями

данных устройств при управлении электрообогревом помещений

различного назначения установлено, что энергетические показатели

электрообогрева в режимах управления выше, чем в номинальном режиме

работы, а показатели качества электрической энергии в питающей сети во

время работы преобразователей не хуже. Делитель напряжения [6]

разработан для ступенчатого регулирования мощности группы

электродвигателей и испытан при управлении производительностью

мотор-вентиляторов на электровозах переменного тока. Производственные

испытания подтвердили высокую энергетическую эффективность

электропривода с делителем напряжения, его можно применять для

частотного пуска мотор-компрессоров в условиях низких температур и при

значительных отклонениях напряжения в контактной сети.

Авторами данной статьи разработаны полупроводниковые

преобразователи для регулирования мощности технологических установок

за счет плавного изменения их входного электрического сопротивления.

Такие преобразователи можно использовать для регулирования мощности

тягового электропривода с двигателями постоянного пульсирующего тока

и с двигателями переменного тока, на тяговых подстанциях для плавного

регулирования напряжения в контактных сетях и для плавного

регулирования мощности при передаче избыточной энергии в

энергосистему. Значительную эффективность от применения

преобразователей сопротивления следует ожидать при широком внедрении

высоких технологий в практику технического обслуживания, ремонта

подвижного состава и при управлении мощностью стационарных

энергетических установок.

Если рассмотреть возможность модернизации эксплуатируемого

парка электровозов, то при внедрении разработанного преобразователя для

тягового привода одного электровоза 2ЭС5К можно высвободить 2 ВИП,

4 сглаживающих реактора, 8 блоков балластных резисторов и 2 мотор-

вентилятора. Для сравнения на рис. 1 представлены расчетные

энергетические характеристики тягового привода электровоза 2ЭС5К при

работе в середине фидерной зоны и токе тяговых электродвигателей 810 А.

0,2

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Р

вых

0,4

0,6

1,0

0,8

0,4

0,6

0,8

1,0

Рис. 1. Зависимость коэффициента мощности К

, кпд η преобразователя

сопротивления 1,3 и ВИП 2,4 с тяговыми электродвигателями НБ 514Б

На всем диапазоне регулирования, а особенно в зоне малых

мощностей тяговый привод с разработанным преобразователем

сопротивления имеет преимущества. Коэффициент пульсаций тока в

обмотках электродвигателей с ВИП составляет 9,7 %, а при питании от

преобразователя сопротивления коэффициент пульсаций тока не

превышает 8 %. При потребляемом электровозом с ВИП токе 322 А в

середине фидерной зоны напряжение на токоприемнике снижается на 2930

В по сравнению с напряжением на тяговой подстанции, а потери мощности

в контактной сети составляют 518 кВт. За счет улучшения коэффициента

мощности и повышения коэффициента полезного действия электровоза с

преобразователями сопротивления при одинаковой потребляемой

мощности тяговыми электродвигателями в сравниваемых вариантах Р =

5538 кВт электровозом потребляется ток 270 А. Напряжение на

токоприемнике составляет 24,6 кВ, падение напряжения в контактной сети

равно 2322 В, а потери мощности в контактной сети составляют 365 кВт,

то есть снижаются на 29,5 % по сравнению с аналогом.

Возможности разработанных преобразователей позволяют выполнять

исследования по повышению сцепных свойств эксплуатируемого парка

электровозов, решаются задачи по повышению напряжения в контактных

сетях переменного тока во время электрического торможения электровоза

и рекуперации энергии.

Библиографический список

1. Алексеева Т.Л. Математическое обоснование структуры перспективного

тягового электропривода высокоскоростного электроподвижного состава / Т.Л.

Алексеева, Н.Л. Рябченок, Л.А. Астраханцев, Н.Л. Михальчук, С.А. Климов, Е.А.

Харитонов, М.Ю. Могильников // Материалы 1-ой межвузовской интернет-

конференции. – Иркутск: ИрГУПС, 2007.

2. Преобразователи частоты для асинхронных двигателей 75-630 кВт, 400/500 В.

Altivar 68. – Schneider Electric, 2001. – 52 с.

3. Преобразователи частоты HITACHI. Инструкция по эксплуатации. Серия L100.

– ВЭМЗ-СПЕКТР, 1999. – 71 с.

4. Пястолов А.А., Астраханцев Л.А., Родченко А.Д. Способ регулирования

электрической мощности на n параллельно включенных нагрузках. Авторское

свидетельство СССР на изобретение № 1676035. – Бюллетень изобретений, № 33, 1991.

5. Астраханцев Л.А., Астраханцева Н.М. Устройство для регулирования

мощности на m-фазной нагрузке. Патент РФ № 2030084, Бюллетень изобретений № 6,

1995.

6. Астраханцев Л.А., Рябченок Н.Л., Рябченок П.Е. Делитель напряжения.

Патент РФ № 2161362, Бюллетень изобретений № 36, 2000.

УДК 621.331

А.М. Худоногов, В.П. Смирнов, Д.В. Коноваленко, И.С. Гамаюнов,

Д.А. Оленцевич, В.В. Сидоров, Е.М. Лыткина, Н.Г. Ильичев

ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОПОДВОДОМ

В ПРОЦЕССАХ УДАЛЕНИЯ ВЛАГИ

ИЗ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОК

ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Статистические данные по надежности узлов и деталей оборудования

электровозов в условиях эксплуатации за последние пять лет на ВСЖД

показывают, что большая доля отказов приходится на тяговые

электрические машины (ТЭМ), в том числе и на тяговые двигатели (ТД).

На основании исследований надежности ТД кафедрой ЭПС ИрГУПСа

было установлено, что 75…85 % двигателей выходит из строя по пробою

изоляции в осенне-зимне-весенний период времени, то есть в период

времени, когда происходит интенсивное увлажнение изоляции обмоток ТД

и снижение ее электрической прочности. По северному ходу (на участке

Тайшет–Таксимо) количественные показатели по отказам ТД в 1,5…3,0

раза выше по сравнению с основной магистралью (на участке Мариинск–

Карымская). По данным ВНИИЖТ на сети Российских железных дорог

вследствие пробоя или снижения сопротивления изоляции обмоток

ежегодно выходят из строя 8,5 тысячи тяговых двигателей. В 2002 году по

ВСЖД вышло из строя около 900 тяговых двигателей.

Для удаления влаги из изоляции обмоток электрооборудования

наукой и практикой предлагается большое количество принципов,

методов, способов и средств. Среди них наиболее широкое применение в

практике сушки увлажненной изоляции обмоток ТД электровозов и

электропоездов получил конвективный метод с использованием

стационарных или передвижных калориферных установок. Такая практика

существовала и на ВСЖД, однако в последние годы сушку увлажненной

изоляции ТД электровозов горячим воздухом от калориферов прекратили,

заменив ее сушкой при помощи вентиляторов электровозов с параметрами

теплоносителя, зависящими от температуры и влажности воздуха в цехе

депо или на ПТОЛ. Этот метод с точки зрения организации процесса

сушки изоляции обмоток ТД наиболее простой и доступный, и поэтому он

был выбран для удаления влаги из обмоток. Однако технология сушки

увлажненной изоляции ТД этим методом не позволяет управлять

параметрами теплоносителя, а следовательно, качественно сушить

изоляцию. Предварительные расчеты по диаграммам Л.К. Рамзина и

исследования показывают, что сушка увлажненной изоляции обмоток ТД

холодным воздухом с высоким влагосодержанием в течение длительного

времени приводит не только к большим затратам энергии, но и не

позволяет в большинстве случаев восстановить допустимые параметры по

сопротивлению изоляции и коэффициенту абсорбции. Исследования

режимов сушки увлажненной изоляции обмоток ТД Соболевым В.М. и

Левитским В.М. показали, что повышение температуры сушки с 30

С до

С приводит к сокращению процесса в 2 раза [1].

Для сушки увлажненной изоляции обмоток ТД рекомендуется

применять горячий воздух от мобильных и стационарных калориферных

установок. Однако существующие инструкции, рекомендации и

руководства по выбору режимов сушки увлажненной изоляции тяговых

электродвигателей предлагают в начале процесса сушки применять низкие

температуры нагрева, а в конце процесса сушки температуру нагрева

доводить до значений, предельно допустимых для данного класса

изоляции. Например, в инструкции по эксплуатации электровозов

написано: «Начинайте сушку изоляции при температуре воздуха около

50 °С, постепенно увеличивая до температуры 90…100 °С» [2].

Проведенные нами предварительные исследования указали, что такие

режимы не только энергозатратны, но и приводят к интенсивному

старению изоляции и сокращению срока службы ТД. Нами разработаны

новые ресурсосберегающие принципы, методы, способы и средства по

сушке увлажненной изоляции ТД, которые необходимо внедрять в

практику ОАО «РЖД» путем применения управляемых

электрокалориферных установок. Сущность новых принципов сушки

состоит в том, что используется широтно-прерывный способ управления

электрокалориферной установкой с нисходящим уровнем энергоподвода

для каждого из последующих циклов. Этот способ предлагается применять

для испарения влаги из материалов с повышенным влагосодержанием.

В последние годы работами академика М.Ф. Казанского и его

учеников на основании термограмм сушки установлен ряд сингулярных

точек, характеризующих различные формы связи влаги с капиллярно-

пористыми коллоидными телами, к которым можно отнести и изоляцию.

По теории М.Ф. Казанского, вся влага разделяется на влагу физико-

механической и физико-химической связи. Количество энергии для отрыва

1 моля воды с физико-механической связью в несколько раз меньше

количества энергии для отрыва 1 моля воды с физико-химической связью.

При физико-механической связи влаги с изоляцией ТД основная масса

воды является свободной и сохраняет свои свойства. Слой воды,

связанный адсорбционно, меняет свои свойства. Можно полагать, что вода

в изоляции ТД имеет в основном физико-механическую связь и лишь

незначительный процент воды с физико-химической связью. На резкое

снижение диэлектрических свойств изоляции будет оказывать

значительное влияние влаги с физико-механической связью, так как она

структурно представляет связь в микро- и макрокапиллярах, которые и

будут являться средой для пробоя изоляции. Электрический пробой

происходит обычно при весьма высоких напряженностях электрического

поля, порядка 10

В/см, когда в диэлектрике появляется добавочная

электронная электропроводность. Механизм электрического пробоя

увязывают с электронными процессами, возникающими в предпробивном

состоянии. Сам пробой происходит в две стадии: первая стадия –

собственно нарушение электрической прочности, связанное с нарастанием

электрической проводимости; вторая стадия – разрушение диэлектрика как

вторичное явление. Вторая стадия связана с тепловыми процессами, по-

видимому, с нагреванием влаги в узком канале, в котором развивалась

первая стадия. В отличие от электротеплового пробоя тепловое

разрушение при электрическом пробое является не причиной самого

пробоя, а его следствием. На практике механизм пробоя изоляции обмотки

якоря ТД НБ514 был изучен в условиях ТЧ2. Основные данные этих

исследований приведены в отчете кафедры ЭПС ИрГУПС по НИОКР за

2002 год.

Анализ термограммы и кривой кинетики процесса сушки изоляции с

физико-механической связью влаги показывает, что для удаления

свободной влаги в начальный момент процесса сушки целесообразно

подводить большее количество энергии, до достижения предельно

допустимой температуры для данного класса изоляции с целью

интенсификации процесса влагоудаления и сокращения времени на

процесс сушки. По мере удаления влаги из изоляции уровень подводимой

энергии необходимо снижать и поддерживать рабочую температуру, не

превышающую предельно допустимых значений для данного класса

изоляции. Время работы нагревателя калорифера в первом цикле

определяется из выражения:

VTt

lnТ

преддопнmax

minmax

н01

⋅−

−

(1)

где Т

– постоянная времени нагрева изоляции обмоток ТД; t

max

–

предельно допустимая температура для данного класса изоляции; V

преддоп

–

предельно допустимая скорость нагрева для данного класса изоляции.

Программой работ предусматривается создание опытного участка в

мини-депо ИрГУПС по сушке изоляции ТД на базе мобильной

управляемой электрокалориферной установки и проведение теоретических

и экспериментальных исследований по выбору рациональных режимов

сушки увлажненной изоляции тяговых электродвигателей типа НБ418.

Планируется этот участок в дальнейшем преобразовать в целевую

лабораторию по исследованию надежности изоляции электрооборудования

локомотивов и электропоездов, эксплуатируемых на ВСЖД. Целью наших

исследований является обоснование ресурсосберегающих принципов

управления энергоподводом в процессах удаления влаги из изоляции

обмоток тяговых электрических машин.

Рассмотрим и проанализируем различные варианты сушки

увлажненной изоляции на примере использования для этой цели

электрокалориферной установки. Известно, что этот метод в основном

применяется для сушки изоляции тяговых электрических машин, хотя

теория этой проблемы может быть применена и для других методов

удаления влаги из изоляции ТД.

Технологический процесс сушки увлажненной изоляции ТД с

помощью электрокалориферной установки можно с позиций

энергоподвода и выбора режима организовать по следующим схемам:

1. Постоянный энергоподвод (рис. 1);

2. Прерывный энергоподвод (рис. 2).

Р а схо д э лектр оэн ерги и А , кВ т.ч

М ощ н ость эле кт ронагре ва т ел я Р , кВ т

Тем пера тур а нагрева изоля ции t, С

Энергопотребление, А = f(

τ)

P= const

Кривая нагрева изоляции t, С

Время процесса сушки изоляции

, мин

Рис. 1. Постоянный энергоподвод

Мощ ность электронагревателя Р, кВт

Р РРР

Кривая нагрева изоляции t, ºC Энергопотребление, A=f(τ)

Температура нагрева изоляции t, С

Время процесса сушки изоляции τ, мин

Расход элекроэнергии А, кВт∙ч

Рис. 2. Прерывный энергоподвод

При постоянном энергоподводе (рис. 1) нагревательные элементы и

вентилятор электрокалорифера остаются включенными в течение всего

процесса сушки изоляции. При прерывном энергоподводе происходит

чередование периодов включения и отключения нагревательных элементов

при постоянно включенном вентиляторе. С позиций ресурсосбережения

наибольший интерес для исследования представляет прерывный

энергоподвод. График работы электронагревателя калорифера в

прерывном режиме приведен на рис. 2. Поясним, как должен работать

аппарат управления электронагревателем. При помощи специального

устройства, работающего как ключ, периодически присоединяют к

источнику питания электронагреватель калорифера и затем отключают его.

Замыкание и размыкание ключа происходит с периодом повторения Т

. В

течение промежутка времени τ

ключ замкнут, а в течение промежутка

времени τ

ключ разомкнут. Среднее значение мощности

электронагревателя зависит от соотношения величин τ

и Т

ц.

Отношение τ

к Т

назовем коэффициентом относительной продолжительности

включения электронагревателя и обозначим этот параметр через ε.

Коэффициент относительной продолжительности включения

электронагревателя можно определить по следующему выражению

пр

ττ

. (2)

Следовательно, изменяя значения τ

и Т

, можно регулировать

среднее значение мощности электронагревателя электрокалорифера и

управлять процессом сушки увлажненной изоляции. Кривая нагрева

изоляции будет иметь пилообразный вид, отражающий процесс сушки при

прерывном нагреве. Через определенное время температурный режим при

прерывном энергоподводе практически установится и общий подъем

кривой нагрева изоляции прекратится.

Расход электрической энергии на процесс сушки увлажненной

изоляции определится положением крайней правой точки кривой

энергопотребления с учетом масштаба шкалы расхода электроэнергии.

Включение и отключение электронагревателей калорифера при прерывном

энергоподводе можно осуществлять двумя принципиально различными

методами управления:

1. Широтно-прерывный метод управления энергоподводом (рис. 3);

2. Частотно-прерывный метод управления энергоподводом (рис. 4).

Сущность широтно-прерывного метода управления энергоподводом в

процессах сушки изоляции обмоток ТД состоит в том, что сохраняется

неизменным период цикла Т

, в течение которого происходит включение и

отключение электронагревателя калорифера, изменяется интервал τ

, в

течение которого происходит включение электронагревателя. Оставляя

постоянным интервал τ

и изменяя период цикла Т

, получим частотно-

прерывный метод управления энергоподводом. Следовательно, изменяя