Диплом (1230913), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Рисунок 1.2 – Схема силовой цепи в режиме реостатного торможения [1]
Схема выпрямления выпрямительной установки — двухполупериодная с нулевым выводом. Такая структура выпрямителя выбрана по следующим причинам. Напряжение питания обмоток возбуждения существенно ниже напряжения, необходимого для питания тяговых двигателей, и неполное использование части вторичной обмотки трансформатора мало увеличивает общий расход меди на электровозе. В связи с небольшим напряжением каждое плечо выпрямительной установки содержит только два последовательно соединенных тиристора: к расчетному числу прибавляют еще один вентиль для повышения надежности. Следовательно, при мостовой схеме потребовалось бы в 2 раза больше полупроводниковых приборов и вспомогательного оборудования, обеспечивающего равномерную нагрузку параллельных ветвей каждого плеча. Блок выпрямительной установки представляет собой одно плечо, имеющее шесть параллельных ветвей, в каждую из которых входят два последовательно соединенных тиристора ТЛ-200. Выпрямительная установка возбуждения получает питание от вторичной обмотки трансформатора с номинальным напряжением 175 В, выпрямленный ток длительного режима составляет 850 А [1].
Преимущества реостатного торможения перед торможением колодками: меньший износ колодок и меньший риск их перегрева; начавшийся юз происходит куда более щадящим образом: колесная пара продолжает вращаться, хотя и медленнее, чем требовалось бы для безъюзового движения, в то время как при торможении колодками возможна и полная остановка пар; процесс линейный, зависимость тормозного момента от положения органа управления линейная, что крайне упрощает создание автоматики торможения и снижения скорости [1].
Также на электровозах применяется рекуперативно-реостатное торможение. Представляет собой разновидность торможения, когда скорости сменяются или накладываются одно на другое рекуперативное и реостатное торможения. Для повышения плавности тормозного процесса, в местах перехода тормозные характеристики перекрываются. Преимущество данного вида торможения заключается в том, что в этом случае расширяется область скоростей применения электрического торможения и его эффективность. Рекуперативно-реостатное торможение широкое распространение среди пригородных электропоездов [1].
2 СУЩЕСТВУЮЩИЕ РЕШЕНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМЫ НАКОПЛЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
Целью дипломного проекта является разработка системы рекуперативного торможения для тепловоза. Создание тепловоза, который будет использовать рекуперативное торможение является перспективным решением, учитывая накопившиеся проблемы на сегодняшний день. Низкий коэффициент полезного действия не дает использовать тепловозы на не электрофицированых путях с затяжными подъёмами. Большое количество энергии тратится на потери. Энергия из химического состояния должна преобразоваться в механическую, механическая в свою очередь должна преобразоваться в электрическую, последняя преобразовывается снова в механическую. И с каждым преобразованием существуют потери. На рисунке 2.1 приведена схема получения энергии используя дизельный двигатель.
Рисунок 2.1 – Получение энергии используя дизельный двигатель
Если предположить, что возможно использовать рекуперативное торможение для тепловоза, то энергия, возвращаемая в тепловоз, может быть затрачена на другие потребности. Примером служит реализация силы тяги за счет аккумуляторных батарей. Далее следует рассмотреть существующие решения применения рекуперативного торможения на транспорте.
2.1 Электроподвижной состав
При работе электровоза в режиме рекуперации, электрическая энергия, возвращаемая в контактную сеть рекуперирующим электровозом, потребляется электровозами, находящимися с ним на одном участке и работающими в тяговом режиме. Если таких электровозов нет или необходимая им энергия меньше рекуперируемой, то так называемая избыточная энергия рекуперации через устанавливаемые на тяговой подстанции специальные устройства — инверторы, преобразующие постоянный ток в переменный трехфазный, направляется в энергосистему. На электрифицированных участках с очень интенсивным движением, где, как правило, почти вся рекуперируемая энергия потребляется электровозами или электропоездами, работающими в режиме тяги, иногда вместо инверторов на подстанциях устанавливают поглощающие резисторы. Они автоматически включаются при наличии избыточной энергии рекуперации.
На отдельных участках с крутыми спусками может быть сэкономлено до 20 % электрической энергии, затрачиваемой на тягу поездов. Когда поезд следует по крутому спуску, для того чтобы его скорость не превысила допустимую, обычно локомотив и состав периодически подтормаживают пневматическими тормозами [2].
В результате скорость движения поезда уменьшается, а затем вновь возрастает, то есть средняя скорость его на спуске ниже допустимой. Все время притормаживать поезд нельзя, так как истощается пневматическая тормозная система, снижается коэффициент трения колодок вследствие их нагревания. При рекуперативном торможении можно обеспечить на спуске постоянную скорость, близкую к допустимой, зависящей от состояния пути, конструкции электровозов, вагонов, контактной сети.
Кроме того, к контактной сети при рекуперации подключается дополнительный источник энергии, напряжение в ней повышается, и другие электровозы на этом участке, следующие по подъему или площадке, могут развивать более высокую скорость. Благодаря электрическому торможению также значительно уменьшается износ тормозных колодок и колес подвижного состава, в результате чего намного снижаются расход металла и затраты на ремонт колесных пар [2].
2.2 Гибридные автомобили
Принцип работы аккумуляторных батарей, независимо от применения в них технологии довольно схож. При зарядке электрическая энергия превращается в химическую, а во время разрядки наоборот. Энергетическая плотность аккумулятора зависит от материала электродов и находящегося между ними электролита. Аккумуляторные батареи уже нашли свое применение в автомобилестроении. Широким примером служат гибридные автомобили компании Honda и Toyota. Емкость АКБ данных автомобилей составляет порядка 1,3-4,4 кВт·ч, что обеспечивает значительную экономию топлива, бесшумную и плавную работу. Принцип работы гибридной системы на автомобиле представлен на рисунке 2.2
Рисунок 2.2 – Схема работы гибридного автомобиля [3]
При начале движения и на малых скоростях задействованы только аккумуляторная батарея и электродвигатели. Энергия, запасенная в батарее, поступает в модуль управления, который направляет ее к электромоторам, способствующему плавному и тихому движению автомобиля. Схема работы автомобиля при начале движения представлена на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3 – Схема получения энергии при начале движения
После набора скорости к работе подключается двигатель внутреннего сгорания, и момент на ведущие колеса поступает одновременно от электродвигателей и ДВС. При этом часть энергии ДВС поступает к генератору, и теперь уже он питает электродвигатели, а излишки своей энергии отдает аккумуляторной батарее, утратившей часть запаса энергии в начале движения. При движении в нормальном режиме автоматически используется только передний привод, во всех остальных — полный. В режиме разгона момент на колеса поступает в основном от бензинового двигателя, а электромоторы при необходимости увеличения динамики дополняют ДВС. При торможении компьютер автомобиля сам решает, когда нужно задействовать гидравлическую тормозную систему, а когда рекуперативное торможение, отдавая предпочтение последнему. То есть в момент нажатия педали тормоза компьютер переводит электродвигатели в “генераторный” режим работы, они в свою очередь создают тормозной момент на колесах, вырабатывая электроэнергию и подпитывая через энергетический центр аккумуляторную батарею [3].
Схема работы гибридной установки изображена на рисунке 2.4:
Рисунок 2.4 – Получение энергии используя гибридную установку Toyota
2.3 Электрические автомобили
Не так давно, в 2015 году на Женевской автомобильной выставке компания nano Flowcell презентовала автомобиль, работающий на аккумуляторных батареях новой технологии – «потоковые батареи». Автомобиль, имея мощность 1000 л.с. , 2 бака по 250 литров жидкости может проехать 800 километров.Потоковая батарея, состоящая из двух ячеек, разделена мембраной. Жидкость, подаваемая в батарею циркулируется с помощью насосов. Электролиты, прокачиваются через потоковую батарею, где реагируют между собой через мембрану, меняя свой состав и выдавая рабочее напряжение. Автомобили фирмы nano Flowcell служат лишь для того, чтобы показать на что способны установки с потоковыми батареями. Приципиальная схема электромобиля представлена на рисунке 2.5.
Рисунок 2.5 – Схема электромобиля [4]
При зарядке происходит обратный процесс: подаваемое на батарею напряжение преобразует электролиты из разряженных в заряженные. Таким образом, потоковые батареи можно как перезаряжать, так и заправлять новым электролитом. Они не имеют эффекта памяти и не уменьшают свою емкость с годами. Характеристики батареи: выходное напряжение 600 В, ток 50 А, мощность 30 кВт. Область применения потоковых батарей достаточно широка: в быту, на железнодорожном транспорте, на судах, на самолетах и в автомобилях [4].
Не мало известная компания Nissan не так давно представила свой электромобиль. Автомобиль Nissan Leaf работает на аккумуляторных батареях. Под капотом расположен электродвигатель мощностью 80 кВт с крутящим моментом 280 Нм. Привод электромобиля передний; нижнее расположение самого тяжёлого элемента автомобиля аккумуляторной батареи обеспечивает лучшую устойчивость по сравнению с одноклассниками. Кроме этого, батарея также обеспечивает более высокую жёсткость конструкции. Масса батареи около 600 фунтов и расположена она под передними сиденьями. Ёмкости батареи 24 кВт·ч и возможностей рекуперативного торможения хватает на 160 км пробега [5].
Электродвигатели переменного тока при торможении транспортного средства способны работать в генераторном режиме, благодаря чему вырабатывается электрическая энергия, которая сохраняется в аккумуляторных батареях, и в дальнейшем используется для движения автомобиля. Система рекуперативного торможения позволяет увеличить диапазон пробега электромобиля до 15 %. Схема получения энергии на электромобилях, используя аккумуляторные батареи представлена на рисунке 2.6.
Рисунок 2.6 – Получение энергии, используя аккумуляторные батареи
2.4 Гибридный привод на подвижном составе
На сегодняшний день уже существуют тепловозы с гибридной установкой. Ярким примером служит гибридный маневровый тепловоз ТЭМ9Н . Мощность локомотива составляет 1200 л.с. , максимальная скорость 100 км/ ч. Особенностями локомотива являются : использование микропроцессорной системы для управления гибридным приводом, литий- ионный аккумулятор, использование видеонаблюдения, уменьшение расхода топлива на 30 % , уменьшение выбросов в окружающую среду до 55 % [6].
Схема работы локомотива схожа со схемой работы гибридной установки на автомобилях. Дизель-генераторная установка служит для заряда аккумуляторных батарей, которые в свою очередь питают тяговые электродвигатели. Также такая система способна использовать рекуперативное торможение для зарядки аккумуляторных батарей. Схема работы гибридной установки на тепловозе представлена на рисунке 2.7.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
