Підвищення ефективності роботи електроприводу постійного струму на основі використання суперконденсаторних накопичувачів електроенергії
Loading...
Files
Date
2017
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, Дніпро
Abstract
UKR: Мета. У науковій роботі необхідно проаналізувати розширення діапазону навантаження та здійснення рекуперативного гальмування (РГ) електричного приводу постійного струму шляхом застосування суперконденсаторних накопичувачів електроенергії. Методика. Для розв’язання поставленої задачі використовуються методи теорії електроприводу, імпульсної електротехніки та методика розрахунку перехідних електромагнітних процесів у лінійних електричних колах при наявності в них суперконденсаторів. Результати.Здійснено суттєве збільшення жорсткості механічної та електромеханічної характеристик двигунів послідовного збудження, що дає можливість використання електроприводу постійного струму при навантаженні, значно меншому, ніж 15–20 % від номінального. Виконано чисельні розрахунки процесу дії суперконденсаторного накопичувача електроенергії при різкому зменшенні навантаження тягового електродвигуна електровоза постійного струму. Обґрунтовано можливість РГ електроприводу постійного струму з двигуном послідовного збудження. Виконано розв’язання рівнянь процесу зарядження й розрядження суперконденсаторного накопичувача в режимі РГ. Досліджено вплив величини ємності на характер підтримання в часі струму збудження електродвигуна в режимі малих навантажень. Наукова новизна. Розроблено теоретичні підходи щодо перетворення м’яких (механічних та електромеханічних) характеристик у жорсткі електродвигунів постійного струму послідовного збудження. Вперше запропоновано й обґрунтовано новий, комбінований, метод РГ двигунів послідовного збудження. Подальший розвиток отримали методи оцінки параметрів блока ємнісного накопичувача з урахуванням критеріїв надійної паралельної роботи суперконденсаторів із обмоткою збудження електродвигуна. Практична значимість. Запропоноване та обґрунтоване авторами перетворення м’яких характеристик у жорсткі дозволяє використовувати загальнопромислові електроприводи з двигунами послідовного збудження й при малих навантаженнях, а в тягових електроприводах – знизити інтенсивність буксування колісних пар електрорухомого складу. Розроблена методика розв’язання перехідних рівнянь дає можливість врахувати випадковий характер зміни напруги на двигуні в режимах зарядження та розрядження суперконденсаторного накопичувача. Запропонований комбінований метод РГ робить можливим здійснення РГ й при малих швидкостях обертання якоря електродвигуна, тим самим підвищуючи енергоефективність експлуатації електроприводів цього типу.
RUS: Цель. В научной работе необходимо проанализировать расширение диапазона нагрузки и осуществления рекуперативного торможения (РТ) электрического привода постоянного тока путем применения суперконденсаторных накопителей электроэнергии. Методика. Для решения поставленной задачи используются методы теории электропривода, импульсной электротехники и методика расчета переходных электромагнитных процессов в линейных электрических цепях при наличии в них суперконденсаторов. Результаты. Осуществлено существенное увеличение жесткости механической и электромеханической характеристик двигателей последовательного возбуждения, что дает возможность использования электропривода постоянного тока при нагрузке, значительно меньшей, чем 15–20 % от номинальной. Выполнены численные расчеты процесса действия суперконденсаторного накопителя электроэнергии при резком уменьшении нагрузки тягового электродвигателя электровоза постоянного тока. Обоснована возможность РТ электропривода постоянного тока с двигателем последовательного возбуждения. Выполнено решение уравнений процесса зарядки и разрядки суперконденсаторного накопителя в режиме РТ. Исследовано влияние величины емкости на характер поддержания во времени тока возбуждения электродвигателя в режиме малых нагрузок. Научная новизна.Разработаны теоретические подходы по преобразованию мягких (механических и электромеханических) характеристик в жесткие электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения. Впервые предложен и обоснован новый, комбинированный метод РТ двигателей последовательного возбуждения. Дальнейшее развитие получили методы оценки параметров блока емкостного накопителя с учетом критериев надежной параллельной работы суперконденсаторов с обмоткой возбуждения электродвигателя. Практическая значимость. Предложенное и обоснованное авторами преобразование мягких характеристик в жесткие позволяет использовать общепромышленные электроприводы с двигателями последовательного возбуждения и при малых нагрузках, а в тяговых электроприводах – снизить интенсивность буксования колесных пар электроподвижного состава. Разработанная методика решения переходных уравнений дает возможность учесть случайный характер изменения напряжения на двигателе в режимах зарядки и разрядки суперконденсаторного накопителя. Предложенный комбинированный метод делает возможным осуществление РТ и при малых скоростях вращения якоря электродвигателя, тем самым повышая энергоэффективность эксплуатации электроприводов этого типа.
ENG: Purpose.The scientific work is intended to analyse the expansion of the load range and the implementation of regeneration braking (RB) of the direct current drive by using the supercondenser power storage units. Methodology.To solve the problem, we use the methods of the electric drive theory, impulse electronics and the method of calculation of transient electromagnetic processes in linear electric circuits in the presence of super-condensers therein. Findings.The stiffness of the mechanical and electromechanical characteristics of a series motor is significantly increased, which makes it possible to use a DC drive under load, much smaller than 15…20% of the nominal one. Numerical calculations of the operation process of the supercondenser power storage unit were fulfilled with a sharp decrease in the load of a traction electric motor of a direct current electric locomotive. The possibility of RB of the direct current drive with the series motor is substantiated. The equations of the process of charging and discharging of super-condenser storage unit in RB mode are solved. The authors examined the effect of capacitance on the nature of maintaining the excitation current of an electric motor in the mode of small loads.Originality.The paper developed theoretical approaches for the transformation of soft (mechanical and electromechanical) characteristics into hard ones of DC series motors. For the first time a new, combined method of the series motor RB is proposed and substantiated. Further development obtained the methods for evaluating the storage unit parameters, taking into account the criteria for reliable parallel operation of super-condensers with an electric motor field. Practical value.The proposed and substantiated transformation of soft characteristics into stiff ones allows us to use general-purpose electric drives with series motors and at low loads, and in traction electric drives - to reduce the intensity of electric stockwheel slipping. The developedmethodofsolvingtransitionalequationsmakesitpossibletotakeintoaccounttherandomnatureofthevoltagechangeonthemotorinsuper-condenserdrivechargeanddischargemodes. The proposed combined method makes it possible to carry out RB at low speeds of the motor armature as well, and thus to increase energy efficiency of operation of electric drives of this type.
RUS: Цель. В научной работе необходимо проанализировать расширение диапазона нагрузки и осуществления рекуперативного торможения (РТ) электрического привода постоянного тока путем применения суперконденсаторных накопителей электроэнергии. Методика. Для решения поставленной задачи используются методы теории электропривода, импульсной электротехники и методика расчета переходных электромагнитных процессов в линейных электрических цепях при наличии в них суперконденсаторов. Результаты. Осуществлено существенное увеличение жесткости механической и электромеханической характеристик двигателей последовательного возбуждения, что дает возможность использования электропривода постоянного тока при нагрузке, значительно меньшей, чем 15–20 % от номинальной. Выполнены численные расчеты процесса действия суперконденсаторного накопителя электроэнергии при резком уменьшении нагрузки тягового электродвигателя электровоза постоянного тока. Обоснована возможность РТ электропривода постоянного тока с двигателем последовательного возбуждения. Выполнено решение уравнений процесса зарядки и разрядки суперконденсаторного накопителя в режиме РТ. Исследовано влияние величины емкости на характер поддержания во времени тока возбуждения электродвигателя в режиме малых нагрузок. Научная новизна.Разработаны теоретические подходы по преобразованию мягких (механических и электромеханических) характеристик в жесткие электродвигателей постоянного тока последовательного возбуждения. Впервые предложен и обоснован новый, комбинированный метод РТ двигателей последовательного возбуждения. Дальнейшее развитие получили методы оценки параметров блока емкостного накопителя с учетом критериев надежной параллельной работы суперконденсаторов с обмоткой возбуждения электродвигателя. Практическая значимость. Предложенное и обоснованное авторами преобразование мягких характеристик в жесткие позволяет использовать общепромышленные электроприводы с двигателями последовательного возбуждения и при малых нагрузках, а в тяговых электроприводах – снизить интенсивность буксования колесных пар электроподвижного состава. Разработанная методика решения переходных уравнений дает возможность учесть случайный характер изменения напряжения на двигателе в режимах зарядки и разрядки суперконденсаторного накопителя. Предложенный комбинированный метод делает возможным осуществление РТ и при малых скоростях вращения якоря электродвигателя, тем самым повышая энергоэффективность эксплуатации электроприводов этого типа.
ENG: Purpose.The scientific work is intended to analyse the expansion of the load range and the implementation of regeneration braking (RB) of the direct current drive by using the supercondenser power storage units. Methodology.To solve the problem, we use the methods of the electric drive theory, impulse electronics and the method of calculation of transient electromagnetic processes in linear electric circuits in the presence of super-condensers therein. Findings.The stiffness of the mechanical and electromechanical characteristics of a series motor is significantly increased, which makes it possible to use a DC drive under load, much smaller than 15…20% of the nominal one. Numerical calculations of the operation process of the supercondenser power storage unit were fulfilled with a sharp decrease in the load of a traction electric motor of a direct current electric locomotive. The possibility of RB of the direct current drive with the series motor is substantiated. The equations of the process of charging and discharging of super-condenser storage unit in RB mode are solved. The authors examined the effect of capacitance on the nature of maintaining the excitation current of an electric motor in the mode of small loads.Originality.The paper developed theoretical approaches for the transformation of soft (mechanical and electromechanical) characteristics into hard ones of DC series motors. For the first time a new, combined method of the series motor RB is proposed and substantiated. Further development obtained the methods for evaluating the storage unit parameters, taking into account the criteria for reliable parallel operation of super-condensers with an electric motor field. Practical value.The proposed and substantiated transformation of soft characteristics into stiff ones allows us to use general-purpose electric drives with series motors and at low loads, and in traction electric drives - to reduce the intensity of electric stockwheel slipping. The developedmethodofsolvingtransitionalequationsmakesitpossibletotakeintoaccounttherandomnatureofthevoltagechangeonthemotorinsuper-condenserdrivechargeanddischargemodes. The proposed combined method makes it possible to carry out RB at low speeds of the motor armature as well, and thus to increase energy efficiency of operation of electric drives of this type.
Description
А. Муха: ORCID 0000-0002-5629-4058; М. Костін: ORCID 0000-0002-0856-6397; O. Куриленко: ORCID 0000-0003-2045-917x; Г. Ципля: ORCID 0000-0002-5568-605X
Keywords
електропривод, накопичувач, рекуперація, суперконденсатор, характеристика електродвигуна, струм, процес, електроенергія, накопитель, рекуперация, характеристика электродвигателя, ток, процесс, электроэнергия, electric drive, storage unit, regeneration, super-condenser, characteristic of the electric motor, current, process, power, КЕТЕМ
Citation
Підвищення ефективності роботи електроприводу постійного струму на основі використання суперконденсаторних накопичувачів електроенергії / А. М. Муха, М. О. Костін, О. Я. Куриленко, Г. В. Ципля // Наука та прогрес транспорту. – 2017. – № 5 (71). – С. 48–60. – doi: 10.15802/stp2017/114624.