Выбор параметров силовой схемы

+СОДЕРЖАНИЕ
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ	6
РЕФЕРАТ	6
ОГЛАВЛЕНИЕ	6
ВВЕДЕНИЕ	6
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА В ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАКОПИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ НА ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОМ СОСТАВЕ	8
2 СИЛОВАЯ СХЕМА ВАГОНА МЕТРОПОЛИТЕНА	30
    2.1 Описание и режимы работы силовой схемы.	30
    2.2 Выбор параметров силовой схемы	35
    2.3 Расчет и выбор накопительного устройства	37
3 ТЯГОВО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ РАСЧЁТ	30
 











ВВЕДЕНИЕ
      Время развитие городского транспорта тесно связано с развитием самих городов, в результате чего остро стоят вопросы разработки комплексных схем развития пассажирского транспорта. Разработчики городского электротранспорта направляют все усилия на увеличение его провозной способности, снижение себестоимости пассажирских перевозок и увеличение комфортабельности транспортных средств. Но необходимо также интегровать разрабатываемую схему в существующую инфраструктуру крупных городов в условиях современного интенсивного роста городов и насыщенности улично-дорожной транспортной сети.
      Одним из наиболее популярных видов электротранспорта большинства мегаполисов является метрополитен.
Этот вид транспорт отличают:
 высокая интенсивность следования поездов;
 высокая скорость движения поездов, достигающая 80...100 км/ч;
 большой пассажиропоток и высокая пропускная способность, достигающая 340 тыс. пас./день.
      Основным и самым серьезным недостатком метрополитена как транспортной системы в целом является наибольшая стоимость и высочайшая сложность прокладки новых линий. Также к недостаткам метрополитена относят относительно невысокую энергоэффективность существующего электроподвижного состава.
      Вопросы энергосбережения и энергетической эффективности  являются наиболее актуальными на сегодняшний день, как в масштабах страны, так и в пределах Новосибирской области. 
Повышение энергоэффективности возможно за счет:
 Использования энергоэффективного оборудования
 Использование возобновляемых источников энергии
 внедрение автоматизированных систем контроля и учета энергоресурсов предприятия;
 Оптимизация режимов энергопотребления с целью уменьшения технологических потерь в системах трансформации, транспортировки и распределения электрической энергии.

      Кроме того, требуется, чтобы в систему программных мероприятий входил мониторинг (непрерывный учет и контроль) энергоэффективности и энергобезопасности.
      Новосибирский метрополитен является одним из крупнейших потребителей электроэнергии в городской инфраструктуре. Поэтому решение вопроса энергосбережения в метрополитене является очень важным.
      1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА В ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАКОПИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ НА ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОМ СОСТАВЕ 
       Использование накопителей на электрическом транспорте является эффективной мерой по снижению энергозатрат на движение ЭПС.
       На современном этапе развития накопители энергии находят все большую востребованность в электроэнергетических системах и транспортных системах в целом. 
       В настоящее время известны различные типы накопителей энергии: электрохимические (ЭХНЭ), механические (МНЭ), электрические (ЭНЭ) теплоэлектрические (ТЭНЭ), конденсаторы двойного электрического слоя (КДЭС) и т.д.
       Каждый тип накопителей энергии имеет свои характерные энергетические показатели, режимы работы, особенности конструктивного и схемотехнического исполнения, определяющие рациональные области их применения.
       Внедрение накопительных устройств на ЭПС требует детального анализа всех основных видов накопителей с определением типа НЭ в наибольшей мере удовлетворяющего множеству требований, обусловленных эксплуатационными, показателями и параметрами транспортных средств. 
       
       Для сравнения накопителей энергии с позиций использования их на электрическом транспорте сформулируем основные критерии, которым они должны удовлетворять.
 Удельная энергоемкость, измеряемая в Вт*ч/кг или Дж/кг и определяющая малогабаритные показатели накопительного устройства.
 Удельная стоимость накопительного устройства, обуславливающая капиталовложения;
 Долговечность, измеряемая общим числом циклов «заряд-разряд» или сроком службы;
 Простота и доступность технического обслуживания.
 Время заряда накопителя (выбор производится исходя из времени торможения ЭПС);
 Время и величина потерь при хранении энергии;
 Время реверса мощности - время, в течение которого НЭ может быть переведен из режима выдачи в режим накопления, и наоборот;
 Скорость и глубина разряда (глубина разряда позволяет снизить величину массогабаритных показателей и величину «мертвого объема»);
 Безопасность работы;
 Высокий КПД накопительного устройства [1].
 Электрохимические накопители энергии
       С начала 19 века появление гальванических элементов стало основным источниками электрической энергии для осуществления движения различных видов транспортных средств с автономным ходом. Но после создания электрического генератора, химические источники тока потеряли свое первостепенное значение. И только в начале 20 века развитие радиотехники и автомобильной промышленности  дало новым толчком к  развитию и совершенствованию электрохимических накопителей (ЭХН). К этому типу накопителей можно отнести химические аккумуляторные батареи (АБ) и электрохимические генераторы (ЭХГ).
       К достоинствам электрохимических накопителей можно отнести: 
 возможность длительного хранения энергии: до 104 ч;
 высокий КПД;
 отсутствие механических перемещений;
 бесшумность работы.
       На электрическом транспорте АБ получили широкое распространение в качестве вспомогательных, резервных и аварийных источников питания. Современные троллейбусы выпускаются с аккумуляторными батареями типа 9НКЛБ-70, позволяющими осуществлять не только питание вспомогательных цепей оборудования, но и, при увеличении их емкости, - автономный ход со скоростью 5. ..10 км/ч. АБ дает возможность реализации автономного хода при условии, что она будет полностью заряжена, а в процессе эксплуатации будет лишь подзаряжаться.
       Современная техника, в зависимости от назначения, располагает целым рядом АБ: 
 Герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы;
 Никель-кадмиевые аккумуляторы;
 Никель-металлогидридные аккумулятор;
 Литий-ионные аккумуляторы;
 Литий-полимерные аккумуляторы и другие типы аккумуляторов.
       Основные параметры аккумуляторов, в том числе и технико-экономические, приведены в таблице 1.1.
       Хотя кислотные аккумуляторы механически непрочны, выделяют вредные пары и требуют внимательного ухода, из-за высокого разрядного напряжения, малого внутреннего сопротивления, хорошей работы в буферном режиме, высокой отдачи по емкости и энергии и относительно невысокой стоимости они являются основными в стационарных устройствах электропитания и на различных видах транспортных средств.
Таблица 1.1 – Технические характеристики аккумуляторных батарей
Наименование показателя
NiCd
NiMH
Lead Acid
Li-ion
Li-ion polymer
Плотность энергии (Вт*час/кг)
45-80
60-120
30-50
110-160
100-130
Внутреннее сопротивление мОм
100-200 6V
200-300 6V
<100 12V
150-250 7.2V
200-300 7.2V
Время жизни (до 80% от номинальной емкости)
1500
300 - 500
200 -300
500 - 1000
300 -500
Время быстрого заряда
1час
2-4час
8-16час
2-4час
2-4час
Чувствительность к перезаряду
средняя
высокая
низкая
очень высокая
высокая
Саморазряд / Месяц (комнатная температура)
20%
30%
5%
10%
~10%
Напряжение ячейки (номинальное)
1.25В
1.25В
2В
3.6В
3.6В
       
       Использование литий-ионных аккумуляторов в качестве тяговых батарей  является перспективным направлением для электротранспорта. Технология производства  этих аккумуляторов совершенствуется  из года в год: улучшается характеристики, уменьшается стоимость КВт\час. 
       Преимущества литий-ионных аккумуляторов:
 Большая плотность энергии – как весовая, так и объемная;
 Напряжение на одном элементе батареи составляет 3.6 Вольта, что в три раза выше, чем у других разновидностей аккумуляторов;
 Предельно быстрый заряд батареи до 90-95% емкости за 30-40 минут;
 Ресурс жизни – более 1000 циклов разряда/заряда батареи;
 Показатель саморазряда – 4-5% в месяц;
 Утилизируются без переработки, что показывают их высокую экологичность.
       Важным фактором, ограничивающим применение ЭХН, является утилизация и переработка отработавших срок службы накопителей. Она дорога и вызывает определенные экологические проблемы, так как в ЭХН производстве используются токсичные химические элемента.
       Кроме того, использование на электрическом транспорте ЭХН в качестве накопительных устройств нецелесообразно по целому ряду причин:
 длительный процесс заряда, при этом практически все виды АБ заряжаются и разряжаются с достаточно малой нагрузкой, небольшими токами и продолжительное время;
 в аккумуляторе скорость отдачи энергии зависит от скорости химических реакций, протекающих в нем, которая, в свою очередь, зависит от подвижности ионов. С понижением температуры на 10°С пиковая мощность аккумулятора снижается в 2. ..4 раза, то есть, в конечном итоге, зависимость от температуры близка к экспоненциальной;
 АБ обладает сравнительно низкой пиковой отдаваемой мощностью, например, по сравнению с конденсаторным накопителем. Это не позволяет обеспечить номинальный режим работы электродвигателя на ЭПС;
 количество "зарядно-разрядных" циклов аккумулятора ограничено, что весьма критично для транспортных средств, работающих в режимах с большой цикличностью.
    В связи с этим, электрохимические накопители являются наиболее подходящими для режимов длительного накопления и расходования электроэнергии в стационарных режимах работы электротехнических устройств, и практически неприемлемы и малоэффективны для аккумулирования энергии электрических торможений.
 Механические накопители энергии
1.2.1 Пневмо- и гидроаккумуляторы
       Одним из направлений использования кинетической энергии торможения является аккумулирование ее с помощью механических накопителей энергии (МНЭ). получившее применение, в основном, на автономных ТС. МНЭ подразделяются на:
 статические (СМНЭ);
 динамические (ДМНЭ) накопители механической энергии .
       Энергоемкость СМНЭ в сотни, а иногда и в тысячи раз ниже, чем динамических накопителей той же массы и габаритов. Этим объясняется неприемлемость статических накопителей как для использования на ТС, так и в системе тягового электроснабжения. СМНЭ могут накопить достаточно большое количество энергии только в том случае, если рабочим телом является газ (ВА), так как он обладает высокой сжимаемостью, или жидкость (ГА), которая может передавать очень высокие давления, но обладает низкой сжимаемостью.
       Идея использования пневмоаккумуляторов на транспорте развивалась параллельно с применением других видов накопителей энергии. Один из патентов на использование сжатого воздуха в качестве энергоносителя на транспортном средстве был выдан в Великобритании в 1799 году. Еще в XIX веке во французском городе Нанте ходил трамвай, работавший от баллонов со сжатым воздухом (до 3 МГа) при общем объеме 2,8*103 литров. Накопленной энергии было достаточно для прохождения пути в 10..12 км.
       Барьером к применению данного вида накопителей на ЭПС является и трехкратное преобразование энергии в прямом или обратном направлении. Механическая энергия запасается в пневмо- или гидроаккумуляторе последующим преобразованием в электрическую, что значительно увеличивает потери.
       Кроме того, имеют место потери энергии, обусловленные невысоким КПД пневмокомпрессоров, пневмодвигателей и гидронагнетателей в требуемых режимах работы, потерей адиабатического тепла и длительным временем реверса, составляющим диапазон от нескольких секунд до десятков секунд. Данные недостатки практически исключают возможность применения пневмо- и гидроаккумуляторов для накопления кинетической энергии на ЭПС.
1.2.2 Инерционные механические накопители энергии
       Инерционные механические накопители человечество начало использовать еще в IV тысячелетие до н.э. Механические накопители (МП) различных конструкций позволяют непосредственно запасать и использовать кинетическую и потенциальную формы механической энергии.
       Впервые предложение о внедрении на железной дороге МН в 1862 г. внес инженер З.Шуберский. В 1918 г. А.Г. Уфимцев получил патент на маховичный накопитель — инерционный аккумулятор. В 20-х годах он предложил использовать маховик идя приведения в движение трамвая в Курске.
       Достоинством кинетических аккумуляторов, является возможность накопления значительного количества энергии в небольшой массе при высоких скоростях вращения. Высокая удельная энергия аккумулирования до 107 Дж/кг ограниченна прочностными свойствами материала. На периферии маховика возникают слишком большие для традиционных материалов центробежные силы, поэтому его изготавливают из композитов с армирующим углеродным волокном. 
       Проблемы разработки и создания МН, в первую очередь, ставят вопросы рационального преобразования энергий из электрической в запасаемую механическую и её обратным перераспределением.
       Известны локомотивы с электропередачей, содержащие аккумулятор энергии в виде вращающегося маховика, связанного с преобразователем энергии в виде обратимой электрической машины. Однако такие локомотивы вследствие влияния гироскопического эффекта, а также прецессий маховика на неровностях и в кривых пути, проявляют склонность к уменьшению сцепления колес с путевой структурой, неустойчивость и даже возможность схода поезда с рельсового полотна.
       При вышеперечисленных достоинствах, МТ обладают рядом недостатков:
 наличие компенсационных потерь некоторой части накопленной энергия в режимах хранения и разряда;
 сложность реализации плавного регулирования силы тяги в соответствии с условиями движения;
 высокая стоимость высокопрочных материалов;
 возможность появления гироскопического эффекта при движении на высоких скоростях ЭПС, особенно сильно проявляющего себя в момент изменения направления движения транспортного средства.
       Совокупность приведенных недостатков механических накопителей создает существенный барьер для применения их на электрическом транспорте.
1.2.3 Электромеханические накопители энергии
       В электромеханическом накопителе энергии (ЭМНЭ) в качестве инерционного накопителя используется ротор электрической машины (ЭМ). Вывод запасенной механической энергии осуществляется с помощью электрических генераторов, при этом механическая энергия преобразуется в электрическую посредством самой ЭМ.
       В них применено вращающееся в вакууме маховое колесо из материала, армированного углеродным волокном. На вал маховика насажен ротор электрической машины, частота вращения которого не превышает 3600 об/мин. Электрическая четырехполюсная синхронная машина размещена в вакууме и рассчитана на напряжение от 300 до 940 В. Маховик и ротор установлены в общем защитном корпусе.
       Прогресс в области магнитных материалов для электромагнитов позволил создать "магнитные подшипники" без трения для быстровращающихся масс (в данном случае ротора и маховика), не требующие технического обслуживания в течение долгого времени. 
       Основным достоинствами ЭМНЭ являются высокие показатели удельной энергии и удельной мощности, что обусловливает применение данного типа накопителей в системах тягового энергоснабжения электрического транспорта.
       Известно исполнение ЭМНЭ, содержащих в своем составе: 
 синхронный генератор (СГ);
 асинхронный двигатель (АД);
 асинхронный двигатель-генератор с короткозамкнутым ротором (АДГ);
 асинхронизированный синхронный генератор (АСГ);
 машину постоянною тока (МИГ).
       При большом количестве достоинств данного вида накопителя ему свойственны и недостатки, аналогичные МН. Например, сложность в осуществлении задания плавного регулирования силы тяги в соответствии с условием движения, дополнительные потери энергии во время хранения запасенной энергии и др. Кроме того, системы ЭМНЭ конструктивно сложны и дороги, как в производстве, так и в эксплуатации.
 Электрические накопители энергии
1.3.1 Индуктивные накопители
       Индуктивные накопители (ИН) представляют собой катушку с индуктивностью, в которой энергия аккумулируется в виде энергии магнитного поля.
       К достоинствам ИН можно отнести: 
 простоту и статичность конструкции;
 достаточно высокую надежность;
 широкий диапазон рабочих температур;
 хорошие массогабаритные и энергетические показатели. 
       В ИН протекают значительные токи при сильных магнитных полях, поэтому большую роль играют электромагнитные силы и, как следствие, - создаваемые ими механические усилия, влияющие на прочностные характеристики катушек и конструктивных элементов. Вследствие протекания больших токов, важным является правильная организация процессов охлаждения катушек, которая ведет к удорожанию и усложнению системы аккумулирования энергии в целом. Недостатком данного вида накопителя является их малое время хранения энергии. Все это накладывает существенные ограничения для применения в чистом виде данного типа накопителей на ЭПС, однако в комбинированных системах с емкостным элементом данный вид накопителей находит применение в качестве буферного или демпферного устройства.
1.3.2 Емкостные накопители энергии
       В силовом конденсаторостроении наблюдается большое разнообразие конструктивных исполнений с различиями в электрических характеристиках одних и тех же типов конденсаторов. Это обусловлено тем, что различны условия работы конденсаторов и индивидуальны особенности, зависящие от уровня технологии, качества материала производителя. Наряду с этим, силовые конденсаторы имеют общую конструкцию секции и пакета, общие компоненты изоляции. Данные обстоятельства затрудняют создание классификационной системы. Поэтому силовые конденсаторы обычно классифицируются: по области их применения, конструктивным особенностям, режимам работы. 
       Поскольку время заряда EН намного меньше времени заряда большинства других видов накопителей, что дает преимущества для практического применения на ЭПС.
       Вследствие явления саморазряда происходит падение напряжения в процессе хранения запасенной энергии. Постоянная времени саморазряда конденсаторов лежит в диапазоне от нескольких часов до нескольких суток (если температура не превышает рабочего диапазона).
       К достоинствам данного вида накопителя энергии можно отнести:
 простоту в техническом обслуживании; 
 надежность в работе; 
 высокую эффекивность передачи накопленной энергии в нагрузку; 
 возможность изменения в широких пределах параметров импульса; 
 работу в широком диапазоне температур;
 длительный эксплуатационный срок.
       Существенное ограничение применения ЕН на электрическом транспорте обусловлено тем, что накопителем электрической энергии может быть конденсатор, обладающий емкостью не менее десятков или даже сотен фарад. Реализовать конденсатор подобной емкости, используя обычные технологии изготовления конденсаторов с использованием металлических обкладок, разделенных лентой диэлектрика, невозможно. Электролитические оксидные конденсаторы на основе алюминия и титана, в которых тонкий оксидный слой является диэлектриком, обладают неприемлемыми габаритами, хотя и находят ограниченное применение в качестве накопителей малой емкости.
 Теплоэлектрические накопители энергии
       На сегодняшний день большая часть ЭПС России имеет морально устаревшую элементную базу на основе теплоэлектрического преобразователя (ТЭП). В данном типе преобразователя электрическая энергия используется неэффективно: преобразуясь в тепло, рассеивается в окружающую среду. Этот принцип преобразования энергии характерен для режима реостатного торможения электрифицированного транспортного средства.
       Один из способов аккумулировании энергии возможен путем преобразования тепловой энергии, рассеиваемой на реостатах (ТЭП), в электрическую. По принципу действия такой преобразователь сходен с транспортными средствами, разработанными преимущественно для транспортирования горячих слитков металла. Недостатком данной системы является очень низкий КПД процесса преобразования энергии, не превышающий в среднем 15%. Поэтому применение таких систем на транспорте является нецелесообразным.
 Конденсаторы 
      Таблица 1.2 - Сравнение конденсаторов постоянной ёмкости
Тип 
диэлектрик
Особенности/применения
Недостатки
Конденсаторы с твёрдым органическим диэлектриком
бумажные конденсаторы
Масляные конденсаторы постоянного тока
Бумага или её комбинация с ПЭТ
Разработаны для работы при постоянном токе для фильтрации, удвоения напряжения, предотвращения образования дуги, как проходные и разделительные конденсаторы
При наличии пульсаций требуют уменьшения рабочего напряжения согласно предоставленным производителем графикам. Обладают бо?льшими размерами в сравнении с аналогами с полимерными диэлектриками.
Бумажные конденсаторы
Бумага/пропитанная бумага
Пропитанная бумага широко использовалась в старых конденсаторах. В качестве пропитки использовался воск, масло или эпоксидная смола. Некоторые подобные конденсаторы до сих пор применяются для работы при высоком напряжении, но в большинстве случаев теперь вместо них используют плёночные конденсаторы.
Большой размер. Большая гигроскопичность, из-за чего они поглощают влагу из воздуха даже при наличии пластикового корпуса и пропитки. Поглощённая влага ухудшает их характеристики, повышая диэлектрические потери и понижая сопротивление изоляции.
плёночные конденсаторы
Полиэтилентерефталатные конденсаторы
Полиэтилентерефталатная плёнка
Меньше чем бумажные или полипропиленовые конденсаторы со схожими характеристиками. Могут использовать полоски фольги, металлизированную плёнку или их комбинации. ПЭТ конденсаторы почти полностью заменили бумажные для задач, где требуется работа с прямым (постоянным) током. Имеют рабочие напряжения вплоть до 60000 вольт при постоянном токе, а рабочую температуру до 125 °C. Обладают невысокой гигроскопичностью.
Температурная стабильность ниже чем у бумажных. Могут применяться при низкочастотном переменном токе, но непригодны при высокочастотном из-за чрезмерного нагрева диэлектрика.
Поликарбонатные конденсаторы
Поликарбонат
Имеют лучшее сопротивление изоляции, тангенс угла потерь и диэлектрическую адсорбцию в сравнении с полистирольными конденсаторами. Обладают лучшей влагостойкостью. Температурный коэффициент примерно ±80 ppm. Выдерживают полное рабочее напряжение на всём температурном диапазоне (от -55 °C до 125 °C)
Максимальная рабочая температура ограничена на уровне 125 °C.
Полипропиленовые конденсаторы
Полипропилен
Чрезвычайно низкий тангенс угла потерь, более высокая диэлектрическая прочность, чем у поликарбонатных и ПЭТ конденсаторов. Низкая гигроскопичность и высокое сопротивление изоляции. Могут использовать полоски фольги, металлизированную плёнку или их комбинации. Плёнка совместима с технологией самовосстановления, повышающей надёжность. Могут работать на высоких частотах, в том числе при большой мощности, например, для индукционного нагрева (часто вместе с водяным охлаждением), благодаря очень низким диэлектрическим потерям. При более высоких ёмкостях и рабочем напряжении, например от 1 до 100 мкФ и напряжением до 440 вольт переменного тока, могут применяться как пусковые для работы с некоторыми типами однофазных электрических моторов.
Более чувствительны к повреждениям от кратковременных перенапряжений или переполюсовке чем пропитанные маслом бумажные конденсаторы.
Конденсаторы с твёрдым неорганическим диэлектриком
Стеклянные конденсаторы
Стекло
Аналогичны слюдяным. Стабильность и частотные характеристики лучше, чем у слюдяных. Очень надёжные, очень стабильные, стойкие к радиации.
Высокая цена.
Температурно-компенсированные керамические конденсаторы
Смесь сложных соединений титанатов
Дешёвые, миниатюрные, обладают превосходными высокочастотными характеристиками и хорошей надёжностью. Предсказуемое линейное изменение ёмкости относительно температуры. Имеются изделия, выдерживающие до 15000 вольт
Изменение ёмкости при различном приложенном напряжении, частоте, подвержены старению.
Керамические конденсаторы с высокой диэлектрической постоянной
Диэлектрики, основанные на титанате бария
Миниатюрнее температурно-компенсированных конденсаторов из-за большей диэлектрической постоянной. Доступны для напряжений вплоть до 50000 вольт.
Обладают меньшей температурной стабильностью, ёмкость значительно изменяется при различном приложенном напряжении.
Конденсаторы с оксидным диэлектриком
Алюминиевые электролитические конденсаторы
Оксид алюминия
Огромное отношение ёмкости к объёму, недорогие, полярные. В основном применяются как сглаживающие и питающие конденсаторы в источниках питания. Наработка на отказ конденсатора с максимально допустимой рабочей температурой 105 °C при расчёте составляет до 50000 часов при температуре 75 °C
Высокие токи утечки, большое эквивалентное последовательное сопротивление и индуктивность ограничивают возможность использования их на высоких частотах. Имеют низкую температурную стабильность и плохие отклонения параметров. Могут взорваться при превышении допустимых параметров и/или перегреве. Максимальное напряжение около 500 вольт.
Твердотельные конденсаторы
Оксид алюминия, оксид тантала
Вместо традиционного жидкого электролита используется специальный токопроводящий органический полимер или полимеризованный органический полупроводник. Время наработки на отказ ~50000 часов при температуре 85°С. ЭПС меньше чем у жидко-электролитических и слабо зависит от температуры. Не взрываются.
Дороже обычных. При 105°С срок службы как у обычных электролитических. Рабочие напряжения до 35 В.
Конденсаторы с двойным электрическим слоем
Конденсаторы с двойным электрическим слоем 
Тонкий слой электролита и активированный уголь
Огромная ёмкость относительно объёма, маленький размер. Доступны номиналы в сотни фарад. Обычно используются для временного питания оборудования при замене батарей. Могут заряжаться и разряжаться бо?льшими токами, чем батареи, имеют очень большое число циклов заряд-разряд. Полярные, имеют низкое номинальное напряжение (вольт на конденсаторную ячейку). 
Относительно высокая стоимость, высокое эквивалентное последовательное сопротивление (малые разрядные токи), большие токи утечки.
Литий-ионные конденсаторы
Ион лития
Большая энергоёмкость, сравнимая с батареями. ЛИСК безопаснее в сравнении с литий-ионными батареями, в которых начинается бурная химическая реакция при высокой температуре. По сравнению с ионисторами они имеют большее выходное напряжение. Удельная мощность у них сравнимa, но плотность энергии у Li-ion конденсаторов гораздо выше. Лидирующие показатели по стоимости, габаритам, сроку службы.
Новая технология.

1.5.1 Конденсаторы двойного электрического слоя
       Наиболее обобщающее название такого класса накопителей энергии конденсаторы двойного электрического слоя (КДЭС), или электрохимические конденсаторы. В настоящее время они не имеют общепринятого термина для их обозначения и не до конца выработаны критерии сравнения подобных конденсаторов между собой. 
       Накопление энергии в КДЭС происходит благодаря заряду двойного электрического слоя (ДЭС). Данный слой образован поверхностью проводника и слоем прилежащих к нему ионов электролита.
       Сегодня КДЭС - новый, динамично развивающийся тип НЭ, который занимает промежуточное положение между аккумуляторами и традиционными конденсаторами. 
       Органические электролиты имеют большую удельную энергию, но и более дорогой и сложный процесс производства. Например, для жидкостного накопителя не возникав проблемы создания надежного электрического контакта электрод-электролит, тогда как при построении твердотельного накопителя необходимо принимают специальные меры по обеспечению надежного контакта.
       В настоящее время КДЭС находят широкое применение в приборостроении в качестве резервного, автономного, бесперебойного источника питания; в автомобилестроении для запуска двигателей внутреннего сгорания; систем охранной сигнализации и аудиосистем для автомобилей: в машиностроении и электротехнике — в качестве перезаряжаемого источника постоянного тока; в энергетике - для создания систем сбора и рекуперации энергии.
       Осуществлено внедрение накопителя на базе КДЭС на одну из тяговых подстанций г. Лозанны. Энергия, запасаемая в накопителе, составляет 21 МДж. Он собран из 20 модулей, состоящих из 240 суперконденсаторов с параметрами в 2600 Ф и 2,5 В. Общий объем, занимаемый накопительным устройством, равен 2м3. Устройство позволяет не только аккумулировать энергию рекуперации электрических торможений ЭПС, но и является буфером, поддерживающим более равномерный уровень напряжения. 
       В настоящее время изготовлен и прошел испытания тяговый электрический привод на базе экспериментального троллейбуса в г. Вологда. Применение в тяговом электроприводе КДЭС установленной мощностью в 30 МДж позволило осуществлять более полное использование энергии электродинамических торможении и автономный ход протяженностью до 1,8 км.
       Выгодное отличие КДЭС от традиционных конденсаторов состоит в том, что:
 при плотности запасаемой энергии, близкой к аккумуляторам, КДЭС имеет электрические свойства, присущие традиционным конденсаторам: закономерности изменения емкости при последовательном соединении, симметричные токи заряда и разряда, возможность изменения рабочего напряжения в широком диапазоне, возможность глубокого разряда;
 при повышении напряжения выше допустимого пробоя не происходит, но начинается процесс разложения электролита или снижение удельной энергии в органических конденсаторах.
Схемные решения применения накопителей энергии на ЭПС


Рисунок 1.1 – Принципиальная схема силовой цепи локомотива с накопителем энергии



Рисунок 1.2 – Суперконденсаторы на электропоезде
      Из анализа видно, что наиболее перспективными и удовлетворяющими основным требованиям аккумулирования энергии электрических торможений в ЭПС в настоящее время являются накопители на базе конденсаторов двойного электрического слоя и ЭХН. Они представляют наиболее эффективный тип накопителя, который способен в полном объеме аккумулировать энергию электрических торможений.
      
      Рисунок 1.3 - Внутреннее устройство суперконденсатора (ионистора)
      Конденсаторы двойного электрического слоя
      КДЭС обладают рядом дополнительных преимуществ:
 не требуют обслуживания в процессе эксплуатации;
 работоспособны в широком диапазоне температур;
 имеют низкую удельную себестоимость;
 удовлетворяют экологическим требованиям;
 инвариантны к месту установки, возможно расположение как в центрах нагрузки, так и непосредственно у потребителя;
 бесшумны в работе;
 обладают малой величиной саморазряда и высоким КПД (суммарный КПД зарядно-разрядного цикла составляет  90% при постоянной времени саморазряда в 100 ч);
 имеют большой срок службы (более 10...12 лет), обусловленный отсутствием химических процессов.
      Принимая во внимание изложенное, можно сделать вывод о том, что статические НЭ в виде КДЭС в наибольшей степени отвечают требованиям, предъявляемым к накопителям, устанавливаемым как на ЭПС, так и в систему тягового электроснабжения [8] .
      1.5.2 Литий-ионные конденсаторы
      В связи с развитием литий-ионных технологий, позволяющих создавать энергоемкие аккумуляторы, большой интерес вызывают гибридные конден- саторы (ГК), представляющие собой гибрид двойнослойного конденсатора (ДСК) и литий-ионного аккумулятора (ЛИА) — литий-ионный суперконденсатор (ЛИСК). Такие системы демонстрируют повышенные мощностные, энергетические и ресурсные характеристики. Данный тип устройств в англоязычной литературе относят к ассиметричным двойнослойным электрохимическим конденсаторам. 
      Устройство и принцип работы литий-ионного суперконденсатора 
      При изготовлении литий-ионного суперконденсатора обычно используют следующие пары активных материалов электродов (отрицательный электрод/положительный электрод):
       • Li4Ti5O12/углеродный материал с развитой поверхностью;
       • графит (неграфитизированный углерод)/углеродный материал с развитой поверхностью; 
      • смесь Li4Ti5O12 и углерода с развитой поверхностью/смесь катодного материала литий-ионного аккумулятора (LiFePO4, LiMn2O4, LiNixCoyMn(1-x-y)O2 и другие литиевые соли или оксиды металлов с переменной валентностью) и углерода с раз- витой поверхностью. 
      В двух первых типах ЛИСК от ДСК взят положительный электрод (углеродный материал с развитой поверхностью), а от ЛИА — отрицательный (графит или нанотитанат Li4Ti5O12). Тип Li4Ti5O12/углеродный материал с развитой поверхностью исторически возник первым, однако на данный момент не имеет большого распространения. Третий тип появился совсем недавно и отличается тем, что в нем и анод, и катод включают композиционные материалы, как ЛИА, так и ДСК. 
      Емкость ДСК определяется емкостью каждого из электродов. Литий-ионные суперконденсаторы являются гибридом двойнослойного конденсатора и литий-ионного аккумулятора. Значения их удельных энергетических и мощностных характеристик находятся в пределах между значениями, свойственными литий-ионным аккумуляторам и суперконденсаторам.

      Рисунок 1.4 - Сравнение ЛИСК с другими устройствами, применяемыми для сохранения электроэнергии
      
      
      
      
      
      
      Таблица1.3 - Характеристики двойнослойных конденсаторов, литий-ионных суперконденсаторов и литий-ионных аккумуляторов 
      Приведенные характеристики позволяют рассматривать ЛИСК как перспективные устройства для запасания электрической энергии. В последние годы в Японии ведутся разработки по применению ЛИСК и батарей на их основе в энергораспределительных системах запасания энергии, генерируемой из возобновляемых источников (солнечная и ветровая энергетика), в источниках бесперебойного питания, гибридных автомобилях и ручных инструментах, системах пуска и старта и т.д. 
      1.6 Выводы
       Проведен сравнительный анализ накопителей энергии, выявлены преимущества и недостатки их использования в силовом приборостроении;
       Показано, что наиболее перспективными и удовлетворяющими основными требованиями аккумулирования энергии электрических торможений в электротранспортной системе в настоящее время являются литий-ионные суперконденсаторы. Они представляют собой наиболее эффективный тип накопителя, который способен в полном объеме аккумулировать энергию электрических торможений;
       Накопители энергии типа ЛИСК сочетают в себе: высокую удельную мощность порядка ?10?^4…?10?^5 Вт/кг при запасаемой удельной энергии до 50 кДж/кг; большое число зарядно-разрядных циклов, лежащих в диапазоне от ста тысяч до одного миллиона; время заряда до 30 с; работу в широком диапазоне температур; высокий КПД, превышающий 95%; длительное время хранения запасенной энергии, составляющее сотни часов; практически неизменную скорость разряда во всем рабочем диапазоне температур; наилучшие показатели по сроку службы, стоимости и габаритам.
       Накопитель энергии, установленный на подвижной е.......................