АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
.
Постоянный и значительный рост стоимости энергоресурсов диктует необходимость максимального повышения эффективности их потребления. В общегосударственном масштабе эта задача поставлена в действующем законе РФ «Об энергоэффективности». Задолго до его принятия комплекс мер по снижению удельных энергозатрат на железнодорожном транспорте был сформулирован в Энергетической стратегии ОАО «РЖД». Положение с потреблением энергоресурсов и с затратами на их оплату, а также задачи по сокращению этих издержек изложены в статье [1] старшего вице-президента ОАО «РЖД» В. А. Гапановича.
По данным В. А. Гапановича ОАО «РЖД», являясь «крупнейшим корпоративным потребителем энергоресурсов в стране, в том числе около 5% электроэнергии», затратило на их приобретение в 2008 г. порядка 150 млрд. рублей, причём «основная доля расхода топливно-энергетических ресурсов в Компании приходится на тягу поездов. В частности, на тягу поездов расходуется «82% всего объёма потребления компанией электроэнергии», а её оплата составляет основную часть затрат на энергоресурсы, так как электротяга в 2009 г. выполнила 86% всей работы железных дорог., v.
Большая доля в эксплуатационных расходах оплаты электроэнергии усиливает актуальность проблемы снижения энергоёмкости электроподвижного состава (ЭПС). В цитируемой статье указано, что «реализация комплекса мер, предусмотренных Энергетической стратегией ОАО „РЖД“, позволит к 2020 г. снизить удельные энергозатраты в электротяге на 6−8% по отношению к уровню 2007 г.» и отмечено, что одним из направлений «повышения энергоэффективности перевозочного процесса является применение рекуперативного торможения»., В решении же транспортных проблем больших городов нашей страны вообще и их связей с областными населёнными пунктами и с ближайшими областными центрами и городами в особенности важное, а зачастую и решающее, место занимают пригородные электропоезда (ЭП). Именно для этого вида ЭПС наиболее актуально наличие рекуперативного торможения и повышение его эффективности, так как ЭП в отличие от электровозов как грузовых, так и пассажирских имеют большое количество остановок на станциях и остановочных пунктах, и поэтому разгон и торможение у них осуществляются часто и в широком диапазоне скоростей.
Железные дороги наиболее крупных мегаполисов страны, в первую очередь Москвы и Санкт-Петербурга, электрифицированы на постоянном токе (ПТ) и потребляют на обеспечение движения ЭП наибольшее количество электроэнергии. В частности, на Московской Железной Дороге (МЖД) ЭП ПТ потребляют в год из системы внешнего электроснабжения (ВЭС) около 1 млрд. кВт*ч и её абсолютный и удельный расходы постоянно растут. Последнее обусловлено тем, что реальные энергетические показатели каждой новой серии ЭП оказываются хуже, чем у предыдущей.
На всех выпускавшихся ранее с 1957 г. ЭП ПТ серии ЭР2 использовался тяговый электропривод (ТЭП) с двухступенчатым реостатным пуском и без электрического торможения. Низкие энергетические показатели этих ЭП были обусловлены отсутствием у них рекуперативного тормоза и плохой динамикой вследствие относительно малой мощности тяговых машин (ТМ) и ограничения ослабления поля (ОП) вследствие высокого напряжения на их коллекторах. >
С целью устранения этих недостатков была создана новая система ТЭП с рекуперативно-реостатным торможением (РРТ) для ЭП ПТ, разработанная доцентом кафедры электрического транспорта Московского Энергетического Института (МЭИ) Л. М. Трахтманом в 1952;54 гг. [2]. В то время не была решена задача обеспечения автоматической перегруппировки ТМ в режиме рекуперации без сброса тормозной силы и с приемлемым качеством переходного процесса при её осуществлении. Поэтому вынужденно было принято решение об использовании на разрабатываемом ЭП с РРТ одноступенчатого рекуперативного тормоза и, как следствие, также одноступенчатого реостатного пуска без переключения ТМ.
При этом предполагалось, что при прогнозировавшемся увеличении технической скорости движения эти ЭП с РРТ будут обладать превосходными энергетическими показателями, то есть экономия энергии от наличия рекуперативного тормоза будет существенно покрывать её перерасход из-за отсутствия перегруппировки ТМ. Однако ожидаемого увеличения технической скорости не произошло и она осталась на довольно низком уровне, в результате перерасход энергии в тяге не смог быть скомпенсирован экономией в торможении. В итоге энергетические показатели ЭП с РРТ оказались хуже чем у ЭП серии ЭР2.
Это обстоятельство послужило основанием для выполненной МЭИ в 1985;87 гг. сначала с участием Рижского Электромашиностроительного Завода (РЭЗ), а затем МЖД разработки энергосберегающей системы (ЭС) ТЭП, в которой по отношению к серийным ЭП с РРТ достигнуто сокращение потребления энергии из системы ВЭС благодаря применению схемы сплотки на 1/3 при сохранении реализованных на ЭП с РРТ преимуществ. Полученные результаты проведенных 6-ти специальных испытаний ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки, 2-х контрольных тяговогэнергетических испытаний (ТЭИ) и 4-х эксплуатационных — в депо Им. Ильича, Железнодорожная (дважды) и Лобня, подтверждаемые многолетним опытом эксплуатации оборудованных ЭС ТЭП 4-х серийных ЭП с РРТ являются достаточным основанием для применения ЭС ТЭП на базе сплотки как при модернизации существующих, так и при производстве новых ЭП. — Это делает актуальной задачу дальнейшего улучшения технико-экономических показателей ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки, а также выяснения возможности наличия определённых негативных явлений, возникающих при реализации ЭС ТЭП, что и является основной задачей выполненных исследований.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ.
Целью выполненных исследований является:
— оценка эффективности применения ЭС ТЭП на базе сплотки в ЭП с некратным 4-м общим количеством вагонов, в частности, при их формировании в 11-ти вагонной составности за счёт оптимального соотношения моторных (МВ) и прицепных вагонов (ПВ) при условии обеспечения установленного графика движения;
— оценка возможности улучшения динамических показателей ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки за счёт реализации более глубокого ОП при параллельном соединении ТМ при условии не превышения реальных ограничивающих параметров нормальной работы коллекторно-щёточного аппарата ТМ;
— оценка возможности и эффективности устранения снижений сил тяги и торможения при реализации энергосберегающих режимов работы ТЭП при использовании независимого возбуждения (НВ) ТМ и в режиме тяги с целью улучшения энергетических и динамических показателей ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки;
— оценка возможности исключения из силовой цепи при применении НВ ТМ индуктивного шунта (ИШ), используемого в качестве токоограничивающе-го реактора (ТР), изгза его повышенного нагрева в режимах тяги и электрического торможения с целью упрощения электрооборудования (ЭО) и снижения расхода энергии;
— оценка влияния на противобоксовочные свойства ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки последовательного соединения 8-ми ТМ на начальном этапе реостатного пуска.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.
Теоретические исследования проводились с использованием методов основ электрической тяги, теории тягового электропривода и автоматического управления. Для выполнения всех тягово-энергетических расчётов (ТЭР) использовалась разработанная автором в среде Mathcad специальная универсальная программа. При выполнении всех исследований использовались численные методы. В частности, для аппроксимации нагрузочных характеристик применялась кусочно-линейная аппроксимация кривой намагничивания, а при решении различных дифференциальных уравнений и их систем, описывающих различные механические и электрические переходные процессы использовался метод Эйлера (метод конечных приращений). Он же использовался и в универсальной программе при решении основного уравнения движения. Достоверность результатов теоретических исследований оценивалась их сопоставлением с опытными данными, полученными в процессе ТЭИ ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки на опытном кольце ВНИИЖТа.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА.
В работе получены следующие новые научные результаты:
— разработана универсальная программа по выполнению всех ТЭР для ЭП ПТ с различными системами ТЭП. Она же может быть использована и для выполнения ТЭР другого ЭПС — ЭП метрополитена,.трамвайных вагонов и т. п;
— показана возможность работы существующих серийных ЭП с РРТ в J1-ти вагонной составности по схеме с двумя сплотками при безусловном обеспечении реального графика движения на 3-х реальных маршрутах;
— разработаны новые алгоритмы управления ТЭП при применении НВ ТМ, обеспечивающие улучшение энергетических и динамических показателей ЭП с ЭС ТЭП на, базе сплотки и оценена их эффективностьо- >
— показана возможность упрощения ЭО ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки при применении НВ ТМ за счёт исключения из силовой цепи ИШ, используемого в качестве ТР в режимах тяги и электрического торможения и оценена энергетическая эффективность этого мероприятия;
— опровергнута версия значительного ухудшения противобоксовочных свойств ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки из-за наличия 8-ми последовательно соединённых ТМ на начальном этапе реостатного пуска.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ.
Практическая ценность работы определяется:
— доказательством возможности с обоснованием технико-экономическрй, и в первую очередь энергетической, эффективности применения ЭС ТЭП на базе сплотки на всех ЭП, независимо от числа МВ в них.
— обоснованием возможности достижения приемлемой динамики ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки с соотношением МВ и ПВ менее двух при одновременном повышении их эксплуатационных показателей.
— опровержением утверждения об ухудшении противобоксовочных свойств ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки при пуске из-за увеличения числа последовательно включённых ТМ с 4-х у серийных МВ до 8гми.
— обоснованием возможности исключения из силовой схемы ИШ, используемого в качестве ТР, приводящей к упрощению и удешевлению ЭО.
— разработкой универсальной программы ТЭР, позволяющей проводить оценочные теоретические расчёты при любой вариации возможных внешних и внутренних параметрах ЭПС и ТЭП и условий движения поезда, не прибегая к дорогостоящим и длительным ТЭИ.
Результаты проведённых в работе исследований эффективности ряда мероприятий показали возможность улучшения технико-экономических показателей ЭС ТЭП на базе сплотки, что увеличивает актуальность её применения как на новых ЭП, так и для модернизации эксплуатируемых.
5.5. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.
1. Применение НВ ТМ в режиме тяги целесообразно по ряду причин, основными из которых являются упрощение схемы силовых цепей и, как следствие, цепей управления, улучшение противобоксовочных свойств, повышение динамических показателей ЭП, что в свою очередь приводит к сокращению расхода энергии. Реализация же НВ ТМ возможна только при замене существующих ЭМП на СП.
2. При применении НВ ТМ возможно также осуществить устранение участков снижения силы тяги и торможения, которое сложно реализовать при ПВ, тем самым улучшив динамику движения ЭП и получить дополнительное снижение расхода энергии.
3. В связи с повышенным нагревом ИШ, выполняющего функцию ТР, возможно, совсем исключить его из силовой цепи. При этом обеспечивается удовлетворительное качество переходных процессов как в режиме тяги, так в режиме рекуперативного торможения и имеет место дополнительное снижение расхода энергии.
4. Совместное применение усовершенствованных алгоритмов пуска и торможения с исключением ИШ из силовой цепи при реализации НВ ТМ и в режиме тяги приводит к заметному итоговому снижению расхода энергии и улучшению динамических показателей ЭП.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В выполненном исследовании возможности и эффективности совершенствования и повышения энергетической эффективности энергосберегающей системы тягового электропривода (ЭС ТЭП) электропоездов (ЭП) постоянного тока (ПТ) получены следующие основные результаты:
1. Разработана универсальная программа для выполнения оценочных тя-гово-энергетических расчётов (ТЭР) для ЭП ПТ с различными системами ТЭП с целью предварительного определения их энергетической эффективности, которая использована при выполнении всех ТЭР в настоящей работе.
2. Показана возможность работы по энергосберегающей схеме ЭП с общим числом вагонов, не кратным 4-м, в том числе ЭП, сформированных в 11-ти вагонной составности по схеме с 4-мя моторными вагонами, то есть с 2-мя сплотками, на участке со средней длиною 3 км и на 3-х реальных пригородных маршрутах. При этом ЭП обеспечивают установленный график движения, а экономия электроэнергии достигает 42%. Также показана возможность улучшения динамических показателей этих ЭП путём реализации более глубокого ослабления поля (ОП).
3. Опровергнуто предположение о возможности значительного ухудшения противобоксовочных свойств ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки. Теоретические исследования показали, что степень развития боксования у серийных ЭП с ре-куперативно-реостатным торможением и ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки практически одинакова. При этом ЭП с альтернативной ЭС с высоковольтными тяговыми машинами (ТМ) имеют значительно более, худшие противобоксовоч-ные свойства по отношению к ЭП с ЭС ТЭП. Результаты же теоретических исследований практически совпадают с результатами специального эксперимента, проведённого ВНИИЖТом на экспериментальном кольце.
4. Оценена возможность применения на ЭП с ЭС ТЭП независимого возбуждения (НВ) ТМ. При этом его использование позволяет устранить снижения сил тяги и торможения при ОП и рекуперативном торможении на последовательном соединении ТМ, и при перегруппировке ТМ.
5. Также показана возможность исключения из силовой цепи при НВ ТМ токоограничивающего реактора, в качестве которого используется индуктивный шунт (ИШ) как в режиме тяги, так и в режиме электрического торможения. При этом достигается дополнительное снижение расхода энергии и упрощение электрооборудования (ЭО) ЭП. Совместное применение НВ ТМ в режиме тяги и исключение ИШ позволяет достичь дополнительного существенного снижения расхода энергии до 5,3%.
В итоге использование обоснованных в диссертации технических решений позволит существенно улучшить технико-экономические показатели ЭП за счёт повышения их тягово-энергетических свойств без усложнения их ЭО, не вызывая при этом каких-либо затруднений при их эксплуатации.
