Использование ионистров для рекуперативного торможения в метрополитене

в 22:11, , рубрики: IGBT, рекуперация, технологии, транзисторы, транспорт, Энергия и элементы питания, энергосбережение, метки: , , , , , ,

Многие из вас замечали, что в метро очень жарко летом и стоит неприятный запах. Вот и я однажды, задумался, а откуда же эта жара и этот запах. На самом деле метро пахнет 4-и запахами: запах состава для защиты дерева шпал от гниения, запах нагретых проводов, запах от мелкодисперсной пыли тормозных колодок и запах жженого мелкодисперсного железа. Я подумал, это же вредно для здоровья.

В другой раз, выходя из вагона, я заметил, что из под вагона поднимается теплый поток воздуха. И я подумал, откуда же он. И тут я вспомнил, что вагоны электрические и что при торможении торможение происходит за счет двигателей (электродинамическое торможение). Но, почему бы не использовать эту энергию? Ведь тогда не будет нагрева проводов, не будет пыль от тормозных колодок. Для этого нужна система рекуперации.

Рекуперация позволяет вернуть энергию обратно. Подобная система реализована на Toyota Prius Hybrid.

Но вот в чем проблема, куда же ее вернуть? Тут 2 варианта: или обратно в электросеть или где-нибудь ее запасти. Вернуть обратно в электросеть — нужные другие тяговые подстанции и сами вагоны другие нужны. Плюс нельзя производить рекуперацию между поездами, которые питаются от разных тяговых подстанций. В итоге эффект рекуперации достигает 15%, что достаточно мало. И тяговые подстанции переоборудовать дорого и долго. А сами вагоны обновляются раз в 30 лет. Так что этот вариант достаточно долгий.

Второй вариант — возвращать энергию обратно в поезд. Тогда достаточно переоборудовать поезд и КПД может достигать 80%.

Для хранения энергии лучше использовать не аккумуляторы, а ионистры.

Преимущества:

<habrcut/>
1. Не требуются тяговые подстанции для переоборудования поездов.
2. Поезд может самостоятельно передвигаться до ближайшей станции для высадки пассажиров в случае нарушения электроснабжения.
3. Можно переоборудовать существующие поезда.
4. Нет проблемы передачи энергии от одного поезда к другому. Т. е. не нужна дополнительная электросеть в случае сильно неравномерной нагрузки поездов по станциям метрополитена.

Недостатки:

<habrcut/>1. Стоимость ионистра.
2. Увеличение массы поезда за счет ионистров (не так много по отношению к массе поезда и пассажиров).

Преимущества ионистров по сравнению с аккумуляторами:
<habrcut/>
1. Высокая скорость заряда/разряда – большой разрядный ток.
2. Простота зарядного устройства.
3. Малая деградация после сотен или даже тысяч циклов заряд/разряд.
4. Возможность заряда/разряда при низких температурах.

Недостатки:
<habrcut/>
1. Меньшая удельная энергия.
2. Зависимость напряжения от степени заряженности.

Таким образом ионистры больше подходят для рекуперации, чем аккумуляторы в качестве мобильного источника энергии.

А что такое ионистр? Ионистр — он же суперконденсатор, это по сути электрический конденсатор, но с двойным электрическим слоем. По сути это гибрид аккумулятора и конденсатора. В электролите (как в аккумуляторе) плавают заряды (как в конденсаторе), которые притягиваются к друг другу. Для того, чтобы эти плавающие заряды друг с другом не столкнулись и не нейтрализовали друг друга, между ними находится дилектрик. Таким образом двойной электрический слой образуют

Ионистры используются в Ё-мобиле.

Но есть еще одна проблема — это как регулировать подачу энергии из ионистров на двигатели и обратно?

Для этого хорошо подходит широтно-импульсная модуляция в паре с инверторной схемой. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) применяется сейчас абсолютно во всех схемах питания, будь то блоки питания компьютеров, стабилизаторы напряжения процессора на материнской плате или еще какие устройства питания. Суть ШИМа в том, что меняется длительность (ширина) импульса с частотой в несколько десятков — сотен кГц и за счет этого меняется величина энергии, передаваемой потребителю. Переменный сигнал сглаживается конденсатором и может стать постоянным, если это необходимо. Обычно в ШИМ есть высокочастотный трансформатор, на который и подаются управляющие импульсы.
А инвертор — это схема где постоянное напряжение становится переменным (инвертируется) и может быть потом обратно преобразовано в постоянное — это делает уже выпрямитель при необходимости. Преобразование в переменное необходимо для получения нужного напряжения и его регулировки. Постоянный ток можно преобразовать в переменный и дальше получить нужное напряжение с помощью трансформатора. Но используя не просто переменный ток, а переменный ток более высокой частоты (десятки сотни кГц), можно получить трансформатор с более хорошими масса-габаратными показателями, КПД и низкой стоимостью. Что успешно и делается, например в сварочном аппарате или блоке питания компьютера.
Но проблемы на этом не закончиваются. Нужно еще найти подходящий коммутирующий элемент. Идеальный вариант — технология IGBT (Insulated Gateway Bipolar Transistor). Суть этой технологии в том, что объединили 2 технологии транзисторов, долгое время конкурирующих между собой, в один элемент. На входе стоит полевой транзистор, который управляет биполярным транзистором. Таким образом достигается преимущества обоих транзисторов и убираются их недостатки:

1. Маленькое падение напряжение в режиме насыщения.
2. Быстрое переключение.

Маленькое падение напряжение дает возможность увеличить КПД и уменьшить нагрев, а также пропустить больший ток.
А быстрое переключение дает возможность использовать этот транзистор для схем, работающих на относительно больших частотах (десятки-сотни кГц).

В реальных устройствах используются целые блоки таких транзисторов, обычно их помещают на радиаторы для лучше охлаждения. Один такой блок способен коммутировать огромные мощности. Ток в сотни Ампер и напряжение в сотни Вольт. Т. е. общая коммутирующая мощность десятки — сотни кВт. Как раз такая мощность у двигателей вагонов метро. Там стоят обычно 4 двигателя по 110 кВт.

Теперь посчитаем, сколько можно сэкономить электричества.

Исходные данные:
<habrcut/>
Вес тары вагона: 34 тонны.
Максимальная вместимость вагона: 330 пассажира.
Метровагонмаш
Вес пассажира в среднем: 70 кг.
Скорость движения состава, допустим: 60 км/ч.
Стоимость электроэнергии: 4 руб./кВт*ч.
Количество вагонов: 10
Интервал хождения вагонов: 30 секунд.
Время посадки: 30 секунд.
Количество веток метро: 12
Длинна поездки в среднем на каждой ветке от конца до противоположного конца: один час
График работы метро: с 5 до 01 часа.
Стоимость билета в среднем: 20 рублей.
Количество всех человеко-поездок в день: 8 млн.

Посчитаем кинетическую энергию, которую приобретает поезд при разгоне и потеряет при торможении

E=m*v^2/2= (34000 кг+330*70 кг)*(60/3,6)^2/2=8*10^6 Дж=8 МДж(1)

Много это или мало, считайте сами. Но такой же энергией обладает автомобиль, массой 1500 кг и двигающийся со скоростью 614 км/ч. Понятно, что он с такой скоростью не двигается. Но сравнение дает представление о том, сколько это энергии.

Потенциальную энергию не рассматриваем, т. к. при движении поезда вниз, она возвращается. А диссипативные силы — потери энергии на трение в подвижных механизмах и сопротивление воздуха нельзя вернуть, можно только уменьшить.

При торможении, вся эта энергия превращается в тепло и расходуется в пустую. Плюс при этом стираются тормозные колодки и там возможно, реостатное торможение — набор мощных резисторов, которые подключаются на тяговые электродвигатели и двигатели таким образом тормозят. Торможение ступенчатое. Нет плавного торможения — повышенный износ колесных пар и рельсов и резкое отрицательное ускорение (дергание поезда), что неудобно для пассажиров. А работа пневматического тормоза создает в воздухе дисперсионную пыль тормозных колодок. Рекуперация же устраняет все эти проблемы.

<habrcut/>8 МДж /3.6 МДж = 2.22 кВт*ч*4 руб./кВт*ч = 8,88 рублей.

Для одного состава: 8,88*10=88 рублей.

В час поезд делает как минимум 60 минут/(30+30 секунд)/60=60 стартов/стопов.

Может быть и больше, если потребуется подождать другой поезд. Также бывают частичные снижения скорости.

В час 60*88=5280 рублей в час.
На одной линии 60 поездов.
Всего потребляется электричества: 60*12*5280рублей=3 801 600 рублей в час.

Но час пик — это утренние 2 часа и вечерние 2 часа.

Итого на час-пик 4*3,8 млн. руб=14,2 млн. руб.

В остальное время интервал хождения 3 минуты, это в 9 раз меньше старт/стопов и поездов на линии, т. е. 3,8 млн. руб./9=420 тыс. руб. в час.

Итак, затраты на электричество не в час пик 16*420=6,7 млн. руб.

Итого: 20,9 млн. руб. в день.

Затраты на одну человека-поездку 2,61 руб. И если билет стоит 20 рублей в среднем, то это 13% стоимости билета, не так уж и много.

В месяц 627 млн. руб.

Автор: whiteblond

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля