RU64146U1 - GAS TURBOZOVOZ - Google Patents
GAS TURBOZOVOZ Download PDFInfo
- Publication number
- RU64146U1 RU64146U1 RU2007106256/22U RU2007106256U RU64146U1 RU 64146 U1 RU64146 U1 RU 64146U1 RU 2007106256/22 U RU2007106256/22 U RU 2007106256/22U RU 2007106256 U RU2007106256 U RU 2007106256U RU 64146 U1 RU64146 U1 RU 64146U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas turbine
- converter
- superconducting
- buses
- traction
- Prior art date
Links
Abstract
Полезная модель относится к области локомотивостроения, а именно - к автономным локомотивам с газотурбинным первичным двигателем. Газотурбовоз содержит газотурбинный агрегат, механически соединенный с синхронным генератором, к зажимам переменного тока которого подключен двунаправленный управляемый преобразователь переменного напряжения в постоянное. К основным шинам постоянного тока преобразователя и к дополнительной плюсовой шине через инверторы напряжения подключены тяговые асинхронные двигатели. К основным шинам постоянного тока через двунаправленный основной полупроводниковый преобразователь постоянного напряжения в постоянное подключен сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии. К дополнительной плюсовой и основной минусовой шинам через дополнительный двунаправленный преобразователь постоянного напряжения в постоянное подключен дополнительный сверхпроводниковый индуктивный накопитель, помещенный в один криостат к основным. Кроме того, между дополнительной плюсовой и основной минусовой шинами включены блок тормозных сопротивлений и блок вспомогательного электрооборудования, третий вход которого соединен с основной плюсовой шиной. Плюсовой вход каждого тягового инвертора через встречно включенные управляемые вентили соединен с основной и дополнительной плюсовыми шинами. К газотурбинному агрегату подключен датчик мощности, выходом подключенный к блоку управления, к выходам которого подключены управляющие цепи всех полупроводниковых ключей. Технический результат заключается в повышении эксплуатационного к.п.д. газотурбовоза за счет повышения его стабилизации в широком диапазоне мощностей в режиме долевых тяговых нагрузок газотурбинного агрегата и снижении расхода топлива в тормозном режиме. 1 ил.The utility model relates to the field of locomotive engineering, namely to autonomous locomotives with a gas turbine prime mover. The gas turbine locomotive contains a gas turbine unit mechanically connected to a synchronous generator, to the AC terminals of which a bidirectional controlled AC / DC converter is connected. Traction asynchronous motors are connected to the main DC buses of the converter and to the additional positive bus via voltage inverters. A superconductor inductive energy storage device is connected to the main DC buses through a bi-directional main semiconductor DC-DC converter. An additional superconducting inductive storage device connected to the main cryostat is connected to the additional positive and main negative buses through an additional bi-directional DC-DC converter; In addition, between the additional positive and main negative buses, a braking resistor block and an auxiliary electrical unit are included, the third input of which is connected to the main positive bus. The positive input of each traction inverter through counter-activated controlled valves is connected to the main and additional positive buses. A power sensor is connected to the gas-turbine unit, with an output connected to a control unit, to the outputs of which control circuits of all semiconductor switches are connected. The technical result is to increase operational efficiency gas turbine locomotive by increasing its stabilization in a wide range of capacities in the mode of shared traction loads of the gas turbine unit and reducing fuel consumption in the braking mode. 1 ill.
Description
Полезная модель относится к области локомотивостроения, а именно, к автономным локомотивам с газотурбинным первичным двигателем.The utility model relates to the field of locomotive engineering, namely, to autonomous locomotives with a gas turbine prime mover.
Известна схема рельсового подвижного состава с дизельным первичным двигателем и емкостным накопителем энергии (см. статью «Einsatzmoglichkeiten von Energiespeichem in dieselbetriebenen Schienenfahrzeugen», авт.Heinz Steinegger, опубликов. в ж. «Eisenbahningenieur», 2003. 54, №12, С.17-19, нем.), посвященная возможности экономии энергии на тепловозной тяге.A known scheme of rail rolling stock with a diesel prime mover and capacitive energy storage (see article "Einsatzmoglichkeiten von Energiespeichem in dieselbetriebenen Schienenfahrzeugen", authored by Heinz Steinegger, published in J. "Eisenbahningenieur", No. 54, 2003. No. 54, 2003. 54, No. 54, 2003. 54, 2003. 54. -19, German), dedicated to the possibility of saving energy on diesel traction.
Указанная схема электропередачи содержит дизельный двигатель, вращающий синхронный генератор, который через статический преобразователь напряжения и частоты питает асинхронные тяговые двигатели. К шинам постоянного тока преобразователя подключен емкостный накопитель энергии в виде батареи конденсаторов или аккумуляторной батареи. Это позволяет использовать энергию рекуперативного торможения тяговых двигателей для заряда накопителя и по мере необходимости возвращать накопленную энергию в шины постоянного тока для питания цепей собственных нужд тепловоза. Однако увеличение веса поездов и скорости движения требуют повышения мощности локомотива, а секционная мощность тепловоза, в основном, ограничена возможностью размещения дизель-генераторной установки, имеющей большие массогабаритные показатели и большое потребление топлива.The specified power transmission circuit contains a diesel engine rotating a synchronous generator, which, through a static voltage and frequency converter, supplies asynchronous traction motors. A capacitive energy storage device in the form of a capacitor bank or a battery is connected to the DC bus of the converter. This allows you to use the energy of regenerative braking of traction motors to charge the drive and, as necessary, return the accumulated energy to the DC bus to power the auxiliary circuits of the locomotive. However, increasing the weight of trains and speed require increasing the power of the locomotive, and the sectional capacity of the locomotive is mainly limited by the possibility of placing a diesel generator set with large overall dimensions and high fuel consumption.
Эти ограничения полностью снимаются, если в качестве теплового двигателя используется газотурбинный двигатель. И, кроме того, использование подобных локомотивов на высокоскоростных линиях снимает затраты на электрификацию линий и модернизацию железнодорожного полотна.These restrictions are completely removed if a gas turbine engine is used as a heat engine. And, in addition, the use of such locomotives on high-speed lines eliminates the costs of electrifying lines and upgrading the railway track.
Однако газотурбинные двигатели в отличие от дизельного имеют неблагоприятные зависимости к.п.д. от мощности и скорости движения. В реальной эксплуатации локомотив работает в режимах частичных нагрузок, а газовые турбины могут эффективно работать лишь в узком диапазоне мощностей и скорости движения.However, gas turbine engines, unlike diesel engines, have unfavorable dependencies of efficiency from power and speed. In actual operation, the locomotive operates in partial load conditions, and gas turbines can work effectively only in a narrow range of power and speed.
Кроме того, система накопления энергии в условиях высокоскоростного движения должна иметь высокую степень передачи энергии и легкий вес. Электрохимические накопители в виде аккумуляторных батарей не позволяют обеспечить требуемые времена ввода и вывода энергии, а емкостные накопители имеют относительно малые удельные значения удельной запасаемой энергии.In addition, the system of energy storage in conditions of high-speed movement should have a high degree of energy transfer and light weight. Electrochemical storage devices in the form of rechargeable batteries do not provide the required energy input and output times, and capacitive storage devices have relatively small specific values of the specific stored energy.
Эти проблемы во многом могут быть решены использованием сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии, в которых запасенная энергия магнитного поля, постоянно поддерживается незатухающим - замороженным - током в сверхпроводниковой катушке, то есть в катушке, обладающей нулевым электрическим сопротивлением и размещенной в охлаждающем криостате (см. статью «Using f Superconducting Magnetic Energy Storage Coil to Improve Efficiency of a Gas Turbine Powered High Speed Rail Locomotive», авт. Brian K. Johnson и др., опубл. в ж. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2001. 11., №1, ч.2, с.1990-1993, англ.). В данной схеме головной газотурбинный двигатель вращает синхронный генератор, напряжение которого выпрямляется и подается на шины постоянного тока, от которых через инверторы питаются тяговые асинхронные двигатели. К шинам постоянного тока через двунаправленный преобразователь постоянного напряжения в постоянное подключена катушка сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии. Кроме того, к указанным шинам подключены тормозные резисторы.These problems can be largely solved by using superconducting inductive energy storage devices in which the stored magnetic field energy is constantly supported by an undamped - frozen - current in a superconducting coil, that is, in a coil having zero electrical resistance and placed in a cooling cryostat (see the article “ Using f Superconducting Magnetic Energy Storage Coil to Improve Efficiency of a Gas Turbine Powered High Speed Rail Locomotive ”, authored by Brian K. Johnson et al., Published in IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2001. 11., No. 1, Part 2, pp. 1990-1993, English). In this scheme, the head gas turbine engine rotates a synchronous generator, the voltage of which is rectified and supplied to the DC bus, from which traction asynchronous motors are fed through inverters. A coil of a superconducting inductive energy storage device is connected to the DC bus through a bi-directional DC-DC converter. In addition, braking resistors are connected to the indicated tires.
Накопитель энергии заряжается всякий раз, когда локомотив находится в режиме рекуперативного торможения, то есть когда первичный двигатель вырабатывает большее количество энергии, чем необходимо, чтобы поддерживать необходимую скорость при движении состава под уклон, или когда поезд находится на станции.The energy storage device is charged whenever the locomotive is in regenerative braking mode, that is, when the primary engine generates more energy than is necessary to maintain the necessary speed when the train moves downhill, or when the train is at the station.
Сверхпроводниковая магнитная катушка такого накопителя обладает способностью обеспечивать значительный запас энергии, сохраняя ее практически без потерь сколь угодно долго.The superconducting magnetic coil of such a storage device has the ability to provide a significant supply of energy, while maintaining it with virtually no loss for an arbitrarily long time.
Когда поезд при движении начинает ускоряться, сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии разряжается в помощь тяговым двигателям, тем самым сокращая потребляемую от газовой турбины энергию. Излишек энергии, запасенной в накопителе, гасится в тормозных резисторах, выделяясь в низ в виде тепла. При этом первичный газотурбинный двигатель функционирует на полную мощность лишь в промежуток времени заряда сверхпроводникового накопителя на стоянке локомотива, что составляет около 50% его номинальной мощности.When the train starts to accelerate while driving, the superconducting inductive energy storage is discharged to help the traction motors, thereby reducing the energy consumed from the gas turbine. The excess energy stored in the drive is extinguished in the braking resistors, released to the bottom in the form of heat. In this case, the primary gas turbine engine operates at full power only during the period of charge of the superconducting drive at the parking lot of the locomotive, which is about 50% of its rated power.
Это позволяет использовать турбину меньшей номинальной мощности и, соответственно, с меньшими массогабаритными показателями, а, кроме того, обеспечить большие ускорения при высоких скоростях движения и уменьшить вес рельсового полотна из-за уменьшения веса локомотива.This makes it possible to use a turbine of lower rated power and, accordingly, with lower overall dimensions, and, in addition, to provide greater acceleration at high speeds and reduce the weight of the rail track due to the reduction in the weight of the locomotive.
Однако газотурбовоз как локомотив железнодорожного транспорта должен развивать мощность соответственно ведению поезда по переменному профилю пути. Это However, a gas turbine locomotive as a locomotive of railway transport should develop capacity according to the train running along a variable track profile. it
означает, что газотурбовоз должен развивать большую силу тяги при трогании состава с места и малых скоростях движения и малую силу тяги при больших скоростях.means that the gas turbine locomotive must develop a large thrust when moving the composition from a place and low speeds and low thrust at high speeds.
В условиях эксплуатации газотурбовозов полная остановка газовой турбины производится лишь при стоянках локомотивов свыше 30 минут. Это связано с тем, что пуск газотурбинного агрегата требует определенного времени на его разогрев, раскручивание и на выполнение сопутствующих этому процессу специфических функций. Кроме того, частые остановки и пуски турбины и компрессора могут отрицательно сказаться на состоянии их вращающихся деталей. При этом газотурбинная установка, работающая на холостом ходу и при малых нагрузках (низшее число оборотов холостого хода составляет 50% от номинального числа оборотов) потребляет значительное количество топлива (20-25% расхода при полной нагрузке), что является весьма неэкономичным.Under the conditions of operation of gas turbine locomotives, a gas turbine is completely stopped only when the locomotive has parked for more than 30 minutes. This is due to the fact that the start-up of a gas turbine unit requires a certain amount of time to heat it up, spin it up, and to perform specific functions associated with this process. In addition, frequent stops and starts of the turbine and compressor may adversely affect the state of their rotating parts. At the same time, a gas turbine unit operating at idle and at low loads (the lowest idle speed is 50% of the nominal speed) consumes a significant amount of fuel (20-25% of the flow at full load), which is very uneconomical.
Кроме того, резко переменная нагрузка, вызванная переменным профилем пути, также приводит к большому расходу топлива. Наиболее экономичным для газовой турбины является режим постоянной мощности, соответствующий минимальному удельному расходу топлива, однако при этом на различных участках пути изменяется скорость движения. Поэтому приходится для поддержания заданной скорости изменять мощность локомотива. При этом изменение скорости и мощности локомотива должно регулироваться рационально.In addition, a sharply variable load caused by a variable path profile also leads to high fuel consumption. The most economical for a gas turbine is a constant power mode corresponding to the minimum specific fuel consumption, but at the same time the speed changes at different sections of the path. Therefore, it is necessary to change the power of the locomotive to maintain a given speed. In this case, the change in the speed and power of the locomotive should be rationally regulated.
В рассматриваемом варианте исполнения электрической передачи газотурбовоза ликвидация указанных недостатков в работе газовой турбины весьма проблематична.In the considered embodiment of the electric transmission of a gas turbine locomotive, the elimination of these shortcomings in the operation of a gas turbine is very problematic.
Задача состоит в повышении эксплуатационного к.п.д. газотурбовоза за счет повышения его стабилизации в широком диапазоне мощностей в режиме долевых тяговых нагрузок газотурбинного агрегата и снижения расхода топлива газотурбинного агрегата в тормозном режиме, являющимся режимом холостого хода газотурбинного агрегата, путем усовершенствования схемы электропередачи.The challenge is to increase operational efficiency gas turbine locomotive by increasing its stabilization in a wide range of capacities in the mode of shared traction loads of the gas turbine unit and reducing the fuel consumption of the gas turbine unit in the braking mode, which is the idle mode of the gas turbine unit, by improving the power transmission scheme.
Технический результат достигается тем, что газотурбовоз содержит газотурбинный агрегат, механически соединенный с валом синхронного генератора, к зажимам переменного тока которого подключен полупроводниковый преобразователь переменного напряжения в постоянное, к выходам которого подключены шины постоянного тока; «n» тяговых асинхронных двигателей (где «n» - натуральный ряд чисел), подключенных каждый к индивидуальным тяговым инверторам напряжения, минусовой вход каждого из которых подключен к минусовой шине постоянного тока; блок тормозных резисторов, блок управления, сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии, включающий в The technical result is achieved by the fact that the gas turbine locomotive contains a gas turbine unit mechanically connected to the shaft of the synchronous generator, to the AC terminals of which a semiconductor AC / DC converter is connected, to the outputs of which DC buses are connected; “N” traction induction motors (where “n” is a natural series of numbers), each connected to individual traction voltage inverters, the negative input of each of which is connected to the negative DC bus; braking resistor unit, control unit, superconducting inductive energy storage unit including
себя сверхпроводниковую индуктивную катушку, помещенную в криостат, шунтированную сверхпроводящим управляемым ключом и подключенную к шинам постоянного тока через другой полупроводниковый преобразователь постоянного напряжения в постоянное, выполненный управляемым и двунаправленным. Управляющие его входы предназначены для подключения к одной группе выходов блока управления, к другой группе выходов которого подключены управляющие входы тяговых инверторов.a superconducting inductive coil placed in a cryostat, shunted by a superconducting controlled key and connected to the DC bus through another semiconductor DC to DC converter, made controlled and bidirectional. Its control inputs are intended for connection to one group of outputs of the control unit, to the other group of outputs of which the control inputs of traction inverters are connected.
Дополнительно в него введена другая плюсовая шина, первый полупроводниковый преобразователь переменного напряжения в постоянное выполнен также управляемым и двунаправленным. Сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии дополнительно содержит «m» независимых сверхпроводниковых катушек (где «m»≥1), каждая из которых шунтирована индивидуальным сверхпроводниковым управляемым ключом, помещена вместе с ним в один криостат с первой сверхпроводниковой катушкой и подключена через дополнительный индивидуальный двунаправленный и управляемый преобразователь постоянного напряжения в постоянное к дополнительной плюсовой и основной минусовой шинам; все указанные сверхпроводниковые индуктивные катушки выполнены тороидальными; плюсовой вход каждого тягового инвертора объединен с катодным и анодным электродами своей пары управляемых полупроводниковых ключей, из которых один своим анодом, а другой своим катодом подключены к плюсовым соответственно основной и дополнительной шинам. К последним, кроме того, подключены два входа блока вспомогательного электрооборудования, третий вход которого подключен к минусовой шине, между которой и дополнительной плюсовой шиной включен блок тормозных резисторов. К газотурбинному агрегату подключен датчик мощности, выход которого подключен к входу блока управления. Третья и четвертая группы выходов блока управления предназначены для подключения к управляющим цепям соответственно первого и третьих индивидуальных двунаправленных преобразователей напряжения. А пятая группа выходов блока управления подключена к управляющим цепям входных вентилей тяговых инверторов.In addition, another positive bus is introduced into it, the first semiconductor AC to DC converter is also made controllable and bidirectional. The superconducting inductive energy storage device additionally contains “m” independent superconducting coils (where “m” ≥1), each of which is shunted by an individual superconducting controlled key, placed together with it in one cryostat with the first superconducting coil and connected via an additional individual bi-directional and controlled converter DC voltage to DC to additional plus and main negative busbars; all of these superconducting inductive coils are made toroidal; the positive input of each traction inverter is combined with the cathode and anode electrodes of its pair of controlled semiconductor switches, one of which is connected to the plus and main buses by the anode and the other by the cathode. The latter, in addition, are connected to two inputs of the auxiliary electrical unit, the third input of which is connected to the negative bus, between which the brake resistor block is connected between the additional plus bus and the auxiliary bus. A power sensor is connected to the gas turbine unit, the output of which is connected to the input of the control unit. The third and fourth groups of outputs of the control unit are designed to connect to the control circuits of the first and third individual bidirectional voltage converters, respectively. And the fifth group of outputs of the control unit is connected to the control circuits of the input valves of the traction inverters.
Новым по сравнению с прототипом является следующее:New in comparison with the prototype is the following:
- первый преобразователь переменного напряжения в постоянное выполнен управляемым и двунаправленным,- the first AC to DC converter is made controllable and bidirectional,
- в схему введена дополнительная шина,- an additional bus is introduced into the circuit,
- сверхпроводниковый индуктивный накопитель дополнительно содержит «m» независимых сверхпроводниковых индуктивных катушек (где «m»≥1), шунтированных, каждая, индивидуальным сверхпроводниковым управляемым ключом, помещенных - the superconducting inductive storage additionally contains “m” independent superconducting inductive coils (where “m” ≥1), each shunted by an individual superconducting controlled key, placed
каждая вместе с ним в один криостат с первой катушкой и подключенных каждая через индивидуальный дополнительный двунаправленный управляемый преобразователь к дополнительной плюсовой и основной минусовой шинам; все указанные - первая и дополнительные - катушки выполнены тороидальными; все тяговые инверторы подключены к шинам постоянного тока таким образом, что плюсовой вход каждого из них объединен с катодным и анодным электродами своей пары управляемых ключей, из которых один своим анодом, а другой своим катодом предназначены для подключения к плюсовым соответственно основной и дополнительной шинам; к этим же шинам подключены два входа блока вспомогательного электрооборудования, третий вход которого подключен к минусовой шине. Между последней и дополнительной плюсовой шиной включен блок тормозных резисторов. К газотурбинному агрегату подключен датчик мощности, выход которого подключен к входу блока управления. Его третья, четвертая и пятая группы выходов подключены к управляющим цепям соответственно первого и третьих индивидуальных двунаправленных преобразователей напряжения, а также к управляющим цепям входных вентилей тяговых инверторов.each together with it in one cryostat with the first coil and each connected via an individual additional bi-directional controlled converter to the additional plus and main negative buses; all indicated - first and additional - coils are made toroidal; all traction inverters are connected to DC buses in such a way that the positive input of each of them is combined with the cathode and anode electrodes of its pair of controlled keys, one of which is its own anode and the other with its cathode is designed to connect to the positive main and additional buses, respectively; two inputs of the auxiliary electrical unit are connected to the same buses, the third input of which is connected to the negative bus. A block of braking resistors is connected between the last and additional plus bus. A power sensor is connected to the gas turbine unit, the output of which is connected to the input of the control unit. Its third, fourth and fifth groups of outputs are connected to the control circuits of the first and third individual bidirectional voltage converters, respectively, as well as to the control circuits of the input valves of the traction inverters.
Это позволяет наиболее эффективно обеспечить два основных эксплуатационных режима работы режимы работы локомотива, а именно:This allows you to most effectively provide two main operating modes of operation of the operating modes of the locomotive, namely:
- режим долевых тяговых нагрузок газотурбинного агрегата, при котором первый сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии используется в качестве дополнительной нагрузки тягового генератора, а следовательно и газотурбинной установки, что соответствует заряду сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии;- the mode of shared traction loads of the gas turbine unit, in which the first superconducting inductive energy storage is used as an additional load of the traction generator, and therefore the gas turbine installation, which corresponds to the charge of the superconducting inductive energy storage;
- тормозной режим газотурбинного агрегата: тяговый генератор переводится в двигательный режим, получая питание от сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии через двунаправленный преобразователь переменного напряжения в постоянное, что соответствует разряду указанного накопителя, газотурбинный агрегат переводится в режим холостого хода с частотой вращения вала, равной 50% от номинальной, при этом расход топлива существенно снижается до минимальной величины, обеспечивающей готовность камеры сгорания к работе в режиме долевых тяговых нагрузок.- brake mode of the gas turbine unit: the traction generator is switched to the motor mode, receiving power from a superconducting inductive energy storage device through a bi-directional AC to DC converter, which corresponds to the discharge of the specified storage device, the gas turbine unit is switched to idle mode with a shaft rotation speed of 50% of nominal, while fuel consumption is significantly reduced to a minimum value that ensures the readiness of the combustion chamber for operation in fractional mode x traction loads.
Второй сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии в режиме долевых тяговых нагрузок питает вспомогательное электрооборудование, а в тормозном режиме заряжается в процессе выбега тяговых электродвигателей перед остановкой локомотива, которые при этом работают в генераторном режиме.The second superconducting inductive energy storage in the fractional traction load mode feeds auxiliary electrical equipment, and in the braking mode it charges when the traction motors run out before the locomotive stops, which at the same time operate in the generator mode.
Сказанное позволяет сделать вывод о соответствии рассматриваемого технического решения критерию новизна, а также о том, что между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь.The foregoing allows us to conclude that the technical solution under consideration meets the novelty criterion, as well as that there is a causal relationship between the totality of essential features and the achieved technical result.
На фигуре показана принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства.The figure shows a circuit diagram of the proposed device.
Работу его рассмотрим на конкретном примере при числе двигателей n=4 и числе дополнительных сверхпроводниковых индуктивных катушек m=1.We will consider his work on a specific example with the number of motors n = 4 and the number of additional superconducting inductive coils m = 1.
Газотурбовоз (см. фиг.) содержит газотурбинный агрегат 1 механически соединенный с валом синхронного генератора 2, к зажимам переменного тока которого подключен полупроводниковый преобразователь переменного напряжения в постоянное 3, к выходам которого подключены шины постоянного тока 4 и 5, четыре тяговых асинхронных двигателей 6, 7, 8,9, подключенных каждый к тяговым инверторам напряжения 10, 11, 12, 13, минусовые входы 14, 15, 16, 17 каждого из которых подключены к минусовой шине 5 постоянного тока. Кроме того, оно содержит блок 18 тормозных резисторов, блок 19 управления и сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии 20, включающий в себя сверхпроводниковую индуктивную катушку 21, помещенную в криостат. Эта катушка шунтирована сверхпроводниковым управляемым ключом 22 и подключена через другой полупроводниковый преобразователь постоянного напряжения в постоянное 23, который выполнен двунаправленным и управляемым, к шинам 4, 5 постоянного тока.A gas turbine locomotive (see Fig.) Contains a gas turbine unit 1 mechanically connected to the shaft of a synchronous generator 2, to the AC terminals of which a semiconductor AC / DC converter 3 is connected, to the outputs of which DC buses 4 and 5 are connected, four traction asynchronous motors 6, 7, 8.9, each connected to the traction voltage inverters 10, 11, 12, 13, negative inputs 14, 15, 16, 17 of each of which are connected to the negative DC bus 5. In addition, it comprises a braking resistor unit 18, a control unit 19, and a superconducting inductive energy storage 20 including a superconducting inductive coil 21 placed in a cryostat. This coil is shunted by a superconducting controlled key 22 and connected through another semiconductor DC / DC converter 23, which is bi-directional and controlled, to DC buses 4, 5.
Управляющие входы преобразователя 23 подключены к одной группе выходов блока управления 19, к другой группе выходов которого подключены управляющие входы тяговых инверторов 10, 11, 12, 13.The control inputs of the Converter 23 are connected to one group of outputs of the control unit 19, to the other group of outputs of which are connected the control inputs of the traction inverters 10, 11, 12, 13.
Дополнительно устройство содержит другую плюсовую шину 24. Первый полупроводниковый преобразователь переменного напряжения в постоянное 3 выполнен также управляемым и двунаправленным. Сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии 20 содержит дополнительную независимую сверхпроводниковую катушку 25, которая шунтирована индивидуальным сверхпроводящим управляемым ключом 26 и помещена вместе с ним в один криостат с первой катушкой 21, и кроме того, подключена через индивидуальный двунаправленный управляемый преобразователь 27 постоянного напряжения в постоянное к дополнительной плюсовой 24 и основной минусовой 5 шинам. При этом обе сверхпроводниковые индуктивные катушки 21 и 25 выполнены тороидальными. Все тяговые инверторы 10-13 подключены к шинам постоянного тока Additionally, the device contains another positive bus 24. The first semiconductor AC / DC converter 3 is also controllable and bidirectional. The superconducting inductive energy storage device 20 contains an additional independent superconducting coil 25, which is shunted by an individual superconducting controlled key 26 and placed with it in one cryostat with the first coil 21, and in addition, is connected through an individual bidirectional controlled DC / DC converter 27 to an additional positive 24 and main negative 5 tires. In this case, both superconducting inductive coils 21 and 25 are made toroidal. All traction inverters 10-13 are connected to DC buses
таким образом, что плюсовые входы 28, 29, 30, 31 каждого из них объединяет катодный и анодный электроды своей пары управляемых полупроводниковых ключей, 32, 33; 34, 35; 36, 37; 38, 39, из которых одни 32, 34, 36, 38 своим анодом, а другие 33, 35, 37, 39 своим катодом подключены к плюсовым соответственно основной 4 и дополнительной 24 шинам, к которым, кроме того, подключены два входа 40, 41 блока вспомогательного электрооборудования 42. Третий вход 43 блока вспомогательного электрооборудования 42 подключен к минусовой шине 5. Между нею и дополнительной шиной 24 включен блок 18 тормозных резисторов. К газотурбинному агрегату 1 подключен датчик мощности 44, выходом 45 подключенный к одноименному входу блока управления 19.so that the positive inputs 28, 29, 30, 31 of each of them combines the cathode and anode electrodes of its pair of controlled semiconductor switches, 32, 33; 34, 35; 36, 37; 38, 39, of which some 32, 34, 36, 38 have their own anode, and the others 33, 35, 37, 39 with their cathode are connected to the plus 4 main and 24 additional buses, respectively, to which, in addition, two inputs 40 are connected, 41 blocks of auxiliary electrical equipment 42. The third input 43 of the block of auxiliary electrical equipment 42 is connected to the negative bus 5. Between it and additional bus 24 is included a block 18 of brake resistors. A power sensor 44 is connected to the gas turbine unit 1, with an output 45 connected to the input of the control unit 19 of the same name.
Третья и четвертая группы выходов блока управления 19 предназначены для подключения к управляющим цепям соответственно первого двунаправленного преобразователя 3 и третьего индивидуального двунаправленного преобразователя 27, а пятая группа выходов блока управления 19 подключена к управляющим цепям входных вентилей 32-39 тяговых инверторов 10-13. Преобразователи 23 и 27, подключенные к сверхпроводниковым индуктивным катушкам 21 и 25 соответственно, содержат каждый прямую 46, 48 и обратную 47, 49 управляемые цепи включения.The third and fourth groups of outputs of the control unit 19 are designed to connect to the control circuits of the first bidirectional converter 3 and the third individual bidirectional converter 27, and the fifth group of outputs of the control unit 19 is connected to the control circuits of the input valves 32-39 of the traction inverters 10-13. The converters 23 and 27 connected to the superconducting inductive coils 21 and 25, respectively, contain each direct 46, 48 and reverse 47, 49 controlled switching circuits.
В качестве первого преобразователя 3 переменного напряжения в постоянное может быть использована схема 4-х квадрантного преобразователя, описанная в статье В.В.Литовченко «4 qS - четырехквадрантный преобразователь электровозов переменного тока» в ж. «Известия ВУЗов. Электромеханика, №3,2000, с.64-73.As the first converter 3 of alternating voltage to DC, a 4-quadrant converter circuit described in the article by V.V.Litovchenko “4 qS is a four-quadrant converter of alternating current electric locomotives” can be used. “Proceedings of universities. Electromechanics, No. 3.2000, p. 64-73.
Схема 3-хфазных инверторов напряжения 10-13 общеизвестна и приведена, например, в монографии Солодунов А.М., Иньков Ю.М., Коваливкер Г.Н., Литовченко В.В. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями. - Рига: Зинатне, 1991. - 351 с.The scheme of 3-phase voltage inverters 10-13 is well known and is shown, for example, in the monograph Solodunov A.M., Inkov Yu.M., Kovalivker G.N., Litovchenko V.V. Converting devices of electric trains with asynchronous traction motors. - Riga: Zinatne, 1991 .-- 351 p.
Схема двунаправленных преобразователей 23, 27, постоянного напряжения в постоянное общеизвестна и приведена, например, в монографии Солодунов А.М., Иньков Ю.М., Коваливкер Г.Н., Литовченко В.В. Преобразовательные устройства электропоездов с асинхронными тяговыми двигателями. - Рига: Зинатне, 1991. - 351 с.The scheme of bidirectional converters 23, 27, DC to DC is well known and is shown, for example, in the monograph Solodunov AM, Inkov Yu.M., Kovalivker GN, Litovchenko VV Converting devices of electric trains with asynchronous traction motors. - Riga: Zinatne, 1991 .-- 351 p.
Схема блока управления 19 может быть реализована, например, на базе микроконтроллера фирмы «ATMEL», приведенная в справочнике «Микроконтроллеры AVR семейства Tiny и Mega фирмы ATMEL, изд-во «Додека-XXI», 2004.The circuit of the control unit 19 can be implemented, for example, on the basis of an ATMEL microcontroller, given in the reference book “AVR Microcontrollers of the Tiny and Mega Family from ATMEL, Publishing House Dodeka-XXI, 2004.
Датчик 44 мощности описан, например, в книге Хайкин А.Б., Жадобин Н.Е. Элементы судовой автоматики: Учебное пособие. - Л.: Судостроение, 1982. - 376 с.The power sensor 44 is described, for example, in the book by Khaikin AB, Zhadobin N.E. Elements of ship automation: a Training manual. - L .: Shipbuilding, 1982. - 376 p.
В качестве сверхпроводящих управляемых ключей 22 и 26 могут быть использованы криотроны, описанные, например, в монографии Глебов И.А., Шахтарин В.Н., Антонов Ю.Ф. Проблема ввода тока в сверхпроводниковые устройства. - Л.: Наука, 1985. - 208 с.As superconducting controlled keys 22 and 26, cryotrons described, for example, in the monograph Glebov I.A., Shakhtarin V.N., Antonov Yu.F. The problem of introducing current into superconducting devices. - L .: Nauka, 1985 .-- 208 p.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства в двух основных эксплуатационных режимах работы локомотива.Consider the operation of the proposed device in two main operating modes of the locomotive.
1. Режим долевых тяговых нагрузок газотурбинного агрегата.1. The mode of shared traction loads of the gas turbine unit.
В этом режиме локомотив движется по участкам пути с переменным профилем. При этом датчик 44 мощности фиксирует текущие параметры (мощность) газотурбинного агрегата 1, посылая их в блок 19 управления. Синхронная машина 2 находится в генераторном режиме, преобразователь 3 находится в выпрямительном режиме, за счет этого на шинах 4, 5 создается выпрямленное напряжение.In this mode, the locomotive moves along sections of the track with a variable profile. In this case, the power sensor 44 captures the current parameters (power) of the gas turbine unit 1, sending them to the control unit 19. The synchronous machine 2 is in the generator mode, the converter 3 is in the rectifier mode, due to this, a rectified voltage is created on the buses 4, 5.
При этом блок управления 19 включает прямую вентильную цепь 46 преобразователя 23, не включая криотрон 22 первой катушки 21 накопителя 20 энергии. В результате газотурбинный агрегат 1 заряжает первую катушку 21, то есть запасает энергию.In this case, the control unit 19 includes a direct valve circuit 46 of the converter 23, not including the cryotron 22 of the first coil 21 of the energy storage device 20. As a result, the gas turbine unit 1 charges the first coil 21, that is, stores energy.
Величина энергии, запасаемой этой катушкой накопителя, так же, как и величина мощности первичного двигателя, будет определяться разрешающей способностью преобразователя 23. В этом режиме заряда сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии 20 газотурбинный агрегат 1 работает с оптимальной мощностью, при которой обеспечивается наименьший удельный расход топлива.The amount of energy stored by this drive coil, as well as the power value of the primary engine, will be determined by the resolution of the converter 23. In this charge mode of the superconducting inductive energy storage device 20, the gas turbine unit 1 operates at the optimum power, which ensures the lowest specific fuel consumption.
2. Тормозной режим газотурбинного агрегата.2. The brake mode of the gas turbine unit.
При снижении потребления мощности от газотурбинного агрегата, например, при торможении локомотива или его остановке, газовая турбина работает крайне неэкономично, так как в этом режиме происходит резкое снижение числа оборотов турбины и компрессора, что приводит к повышенному расходу топлива (20-25% расхода при полной нагрузке), резко падает к.п.д. не только газотурбинного агрегата, но и всего локомотива.With a decrease in power consumption from the gas turbine unit, for example, when the locomotive is braked or stopped, the gas turbine is extremely uneconomical, since in this mode there is a sharp decrease in the number of revolutions of the turbine and compressor, which leads to increased fuel consumption (20-25% at full load), the efficiency drops sharply not only a gas turbine unit, but also the entire locomotive.
В условиях эксплуатации газотурбовозов полная остановка газотурбинного агрегата осуществляется лишь при стоянках локомотива свыше 30 мин. Это происходит потому, что пуск газотурбинного агрегата требует определенного времени на ее разогрев и раскручивание, на поднятие давления смазки в подшипниках, в системе регулирования и т.п. Кроме того, частые остановки и пуски турбины и компрессора могут отрицательно сказаться на состоянии их вращающихся деталей.Under operating conditions of gas turbine locomotives, a gas turbine unit is completely stopped only when the locomotive has parked for more than 30 minutes. This is because starting a gas turbine unit requires a certain amount of time for it to warm up and unwind, to increase the pressure of the lubricant in the bearings, in the control system, etc. In addition, frequent stops and starts of the turbine and compressor may adversely affect the state of their rotating parts.
В предлагаемой авторами полезной модели в режимах малых скоростей, близких к холостому ходу турбины, и на холостом ходу газотурбинного агрегата по сигналу блока управления 19 открывается обратная вентильная цепь 47 преобразователя 23 и обратные цепи преобразователя 3, размыкается криотрон 22 в сверхпроводниковом индуктивном накопителе энергии 20, в результате чего энергия, запасенная в сверхпроводниковой индуктивной катушке 21 передается через шины 4,5 и преобразователь 3 в синхронную машину 2. Последняя переводится в двигательный режим и поддерживает тем самым обороты газовой турбины и компрессора. При этом газовая турбина резко уменьшает потребление топлива. Этот режим реализуется по команде от блока 19 управления, из которого на управляющие ключи преобразователя 3 поступают управляющие импульсы, формирующие обратную проводимость преобразователя 3. В преобразователе 3 напряжение шин 4,5 инвертируется в 3-х фазное переменное напряжение.In the utility model proposed by the authors, at low speeds close to the turbine idle and idle of the gas turbine unit, the signal from the control unit 19 opens the return valve circuit 47 of the converter 23 and the reverse circuits of the converter 3, opens the cryotron 22 in the superconducting inductive energy storage 20, as a result of which the energy stored in the superconducting inductive coil 21 is transmitted via buses 4.5 and converter 3 to synchronous machine 2. The latter is transferred to the motor mode and under erzhivaet thereby turns the gas turbine and the compressor. At the same time, a gas turbine dramatically reduces fuel consumption. This mode is implemented by a command from the control unit 19, from which control pulses are supplied to the control keys of the converter 3, forming the inverse conductivity of the converter 3. In the converter 3, the bus voltage 4.5 is inverted into a 3-phase alternating voltage.
При последующем начале движения локомотива газотурбинный агрегат включается в работу не с нулевых оборотов, что позволяет исключить указанные выше отрицательные эффекты при пуске.At the subsequent start of locomotive movement, the gas turbine unit does not start at work from zero revolutions, which eliminates the above negative effects during start-up.
А далее процессы в аналогичных режимах повторяются, за исключением того, что питание блока вспомогательного электрооборудования 42 в режиме долевых тяговых нагрузок газотурбинного агрегата осуществляется от второго сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии 25.And then the processes in similar modes are repeated, except that the power supply unit auxiliary electrical equipment 42 in the mode of shared traction loads of the gas turbine unit is carried out from the second superconducting inductive energy storage 25.
В тормозном режиме при движении локомотива под уклон или торможении в схеме осуществляется рекуперативное торможение. Тяговые двигатели 6-9 переводятся в генераторный режим, при этом вентили 32, 34, 36, 38 закрываются, включаются обратные цепи инверторов 10-13, обратные вентильные цепи 33, 35, 37, 39 и прямая вентильная цепь 48 преобразователя напряжения 27 в цепи дополнительной сверхпроводниковой катушки 25 сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии 20, при этом криотрон 26 разомкнут. В результате энергия от двигателей 6-9 через дополнительную плюсовую шину 24 и минусовую шину 5 поступает в катушку 25, заряжая ее. Расчетная энергоемкость этой катушки меньше, чем основной и определяется потребностями блока вспомогательного электрооборудования 42 в последующих режимах нагрузки. Кроме того, возможный избыток энергии рекуперации, как и в прототипе, поступает в блок 18 тормозных резисторов.In the braking mode, when the locomotive moves downhill or brakes, regenerative braking is performed in the circuit. Traction motors 6-9 are put into generator mode, while the valves 32, 34, 36, 38 are closed, the inverters 10-13 are turned on, the return circuits 33, 35, 37, 39 and the direct valve circuit 48 of the voltage converter 27 in the circuit are turned on additional superconducting coil 25 of the superconducting inductive energy storage 20, while the cryotron 26 is open. As a result, the energy from the engines 6-9 through an additional positive bus 24 and negative bus 5 enters the coil 25, charging it. The estimated energy intensity of this coil is less than the main one and is determined by the needs of the auxiliary electrical unit 42 in subsequent load conditions. In addition, a possible excess of energy recovery, as in the prototype, enters the block 18 of the braking resistors.
После завершения рекуперативного торможения криотрон 26 переводится в сверхпроводящее состояние, вентили 48 и 49 закрываются и сверхпроводниковая After regenerative braking is completed, the cryotron 26 is transferred to the superconducting state, valves 48 and 49 are closed and the superconducting
индуктивная катушка 25 переходит в режим хранения энергии, также называемый режимом «замороженного» потока.the inductive coil 25 enters the energy storage mode, also called the “frozen” flow mode.
При необходимости запитывания блока вспомогательного электрооборудования 42, криотрон 26 переводится в разомкнутое состояние, вентиль 49 открывается и через преобразователь напряжения 27 сверхпроводниковая индуктивная катушка 25 отдает запасенную в ней ранее электроэнергию в блок вспомогательного электрооборудования 42.If it is necessary to power the auxiliary electrical equipment block 42, the cryotron 26 is switched to the open state, the valve 49 opens and through the voltage converter 27 the superconducting inductive coil 25 transfers the previously stored electric energy in it to the auxiliary electrical equipment block 42.
Таким образом, предлагаемое устройство, сохраняя меры, направленные на повышение энергетической эффективности газотурбовоза за счет введения сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии, расширяет эти возможности тем, что:Thus, the proposed device, while maintaining measures aimed at increasing the energy efficiency of a gas turbine locomotive by introducing superconducting inductive energy storage devices, expands these possibilities by the fact that:
во-первых, в режиме долевых тяговых нагрузок повышает стабилизацию к.п.д. газотурбинной установки в широком диапазоне мощностей;firstly, in the mode of shared traction loads it improves stabilization of efficiency gas turbine installation in a wide range of capacities;
во-вторых, в тормозном режиме газотурбинная установка переводится в режим холостого хода с частотой вращения вала, равной 50% от номинальной, при этом расход топлива существенно снижается до минимальной величины, обеспечивающей готовность камеры сгорания газовой турбины к работе в режиме долевых тяговых нагрузок;secondly, in the braking mode, the gas turbine unit is switched to idle mode with a shaft rotation speed of 50% of the nominal one, while the fuel consumption is significantly reduced to a minimum value that ensures the readiness of the gas turbine combustion chamber for operation in shared traction loads mode;
в-третьих, в результате этого в перечисленных выше режимах повышается эксплуатационный к.п.д. газотурбинной установки.thirdly, as a result of this, the operational efficiency increases in the above modes gas turbine installation.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007106256/22U RU64146U1 (en) | 2007-02-19 | 2007-02-19 | GAS TURBOZOVOZ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007106256/22U RU64146U1 (en) | 2007-02-19 | 2007-02-19 | GAS TURBOZOVOZ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU64146U1 true RU64146U1 (en) | 2007-06-27 |
Family
ID=38315831
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007106256/22U RU64146U1 (en) | 2007-02-19 | 2007-02-19 | GAS TURBOZOVOZ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU64146U1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2498492C2 (en) * | 2008-05-13 | 2013-11-10 | Сименс Акциенгезелльшафт | Diesel-electric drive system |
| RU2574217C2 (en) * | 2013-11-06 | 2016-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Псковский государственный университет" | Starter-generator set for self-contained power supply based on rotary-vane engine with external heat supply and method of its usage |
| RU2612068C1 (en) * | 2015-11-02 | 2017-03-02 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" | Conversion system for auxiliary power supply of gas turbine locomotive |
| RU192347U1 (en) * | 2019-02-11 | 2019-09-13 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный университет путей сообщения" | DUAL FOOD ELECTRIC POWER STATION WITH HYBRID ENERGY STORAGE |
-
2007
- 2007-02-19 RU RU2007106256/22U patent/RU64146U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2498492C2 (en) * | 2008-05-13 | 2013-11-10 | Сименс Акциенгезелльшафт | Diesel-electric drive system |
| RU2574217C2 (en) * | 2013-11-06 | 2016-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Псковский государственный университет" | Starter-generator set for self-contained power supply based on rotary-vane engine with external heat supply and method of its usage |
| RU2612068C1 (en) * | 2015-11-02 | 2017-03-02 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н.А. Семихатова" | Conversion system for auxiliary power supply of gas turbine locomotive |
| RU192347U1 (en) * | 2019-02-11 | 2019-09-13 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный университет путей сообщения" | DUAL FOOD ELECTRIC POWER STATION WITH HYBRID ENERGY STORAGE |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN202923374U (en) | Series hybrid power system of dumper utilizing super capacitor | |
| CN101376344B (en) | Multiple-target integrated control energy-saving method of electric power supply system for subway | |
| EP2193954A1 (en) | Auxiliary drive apparatus and method of manufacturing same | |
| RU2014106872A (en) | HYBRID ELECTRICAL SYSTEM | |
| Hong-lei et al. | The dynamic power control technology for the high power lithium battery hybrid rubber-tired gantry (RTG) crane | |
| Evstaf’Ev et al. | Energy converters for hybrid traction power systems used in electric transport | |
| CN103889802A (en) | Generator control device for hybrid vehicle | |
| CN104527960A (en) | Ship braking energy control system and method | |
| RU64146U1 (en) | GAS TURBOZOVOZ | |
| RU162460U1 (en) | AUTONOMOUS ELECTRIC UNIT | |
| BRPI1105670A2 (en) | Improved method and apparatus for power generation | |
| RU133060U1 (en) | Shunting Electric Locomotive | |
| CN107834696B (en) | Reactor coolant pump power supply device and application method thereof | |
| Kubade et al. | Regenerative Braking in an Elevator Using Supercapacitor | |
| CN103129565A (en) | Hybrid power transmission system | |
| RU2636847C1 (en) | Dc traction substation with flywheel storage | |
| CN111703443B (en) | Hybrid locomotive and energy balance control method and system thereof | |
| RU74347U1 (en) | GAS TURBOZOVOZ | |
| CN206826900U (en) | The electric propulsion system of energy-saving and emission-reduction | |
| Chabchoub et al. | Consolidation of the electric vehicle battery by an ulracapacitor for performance improvement. | |
| CN206255175U (en) | Ship direct current networking propulsion system with batteries to store energy | |
| RU45056U1 (en) | AUTONOMOUS POWER PLANT | |
| Moraes et al. | Multi-port system for storage and management of regenerative braking energy in diesel-electric locomotives | |
| RU117119U1 (en) | POWER INSTALLATION OF A LOCOMOTIVE WITH A COMBINED ELECTRIC POWER STORAGE | |
| Maheswari et al. | Improved battery management system for hybrid electric vehicle using supercapacitor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20100220 |