Совершенствование энергосберегающей системы тягового привода электропоезда постоянного тока
На правах рукописи
ГАРБУЗЮК ВАСИЛИЙ СЕРГЕЕВИЧ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ
СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ПРИВОДА ЭЛЕКТРОПОЕЗДА
ПОСТОЯННОГО ТОКА
Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Москва – 2010
Работа выполнена на кафедре Электрического транспорта Московского энергетического института (Технического университета)
Научный руководитель – доктор технических наук, профессор
Тулупов Виктор Дмитриевич
Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор
Курбасов Александр Севастьянович
– кандидат технических наук, доцент
Хевсуриани Иван Михайлович
Ведущее предприятие – Проектно-конструкторское бюро
локомотивного хозяйства ОАО «РЖД»
Защита диссертации состоится 21 января 2011 г. в аудитории М-611
в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу:
ул. Красноказарменная, д. 13.
Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Учёный Совет МЭИ (ТУ)
Автореферат разослан « » декабря 2010 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета Д 212.157.02
Кандидат технических наук, доцент Цырук С.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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 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.
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. 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 тягово-энергетических 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 токоограничивающего реактора (ТР), из-за 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 ВНИИЖТ.
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 11-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 эффективность;
- 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 возможностью и целесообразностью работы существующих ЭП в 11-ти вагонной составности, оборудованных ЭС ТЭП на базе сплотки при наиболее оптимальном соотношении МВ и ПВ – 4М+5П+2Г, то есть с 2-мя сплотками при соблюдении установленного графика движения, а также улучшения их динамических показателей за счёт применения дополнительной ступени ОП. Опровержение версии значительного ухудшения противобоксовочных свойств ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки даёт возможность применять эту систему ТЭП. Кроме того, показана целесообразность применения на ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки НВ ТМ без включения ИШ в силовую цепь, что приведёт к упрощению и удешевлению ЭО. Разработанная универсальная программа ТЭР позволяет 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.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:
- на XII и XIII международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2006 и 2007 гг.);
- на XI и XII международных конференциях «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Крым, Алушта, 2006 и 2008 гг.);
- на II Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2007 г.);
- на международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2009 г.);
- на научно-технических семинарах кафедры Электрический транспорт МЭИ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Содержит 164 страницы машинописного текста с таблицами и иллюстрациями. Список использованной литературы насчитывает 30 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и задачи исследований, дана общая характеристика работы.
В первой главе рассматриваются основные этапы создания ТЭП для ЭП ПТ различных серий, начиная от ЭП серии ЭР2 и заканчивая ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки и с высоковольтными (ВВ) ТМ.
До 1982 г. производился выпуск ЭП серии ЭР2 с одной перегруппировкой ТМ с номинальным напряжением на коллекторах 1500 В, не имеющих компенсационной обмотки, в связи с чем мала мощность этих ТМ, минимальная степень ОП ограничена величиной 0,5 и невозможно применение электрического тормоза. В результате ЭП этой серии обладали низкими энергетическими показателями и плохой динамикой.
С 1982 г. начат выпуск ЭП серии ЭР2Р и ЭР2Т без перегруппировки ТМ с номинальным напряжением на коллекторах 750 В, также не имеющих компенсационной обмотки, но в связи с низким напряжением обладающие большей мощностью, минимальная степень ОП достигает величины 0,185. На ЭП этой серии оказалось возможным применение электрического РРТ, они обладают существенно лучшей динамикой.
При создании ЭП серии ЭР2Р и ЭР2Т предполагалось, что при высокой технической скорости движения порядка 72 км/ч их тягово-энергетические показатели будут лучше, чем у ЭП предшествующей серии ЭР2 без РРТ. При этом замена двухступенчатого реостатного пуска одноступенчатым с применением низковольтных ТМ повышенной мощности с низколежащими характеристиками должна была не только не увеличить расход энергии, но и существенно его снизить до 40% за счёт наличия электрического тормоза и повышенных динамических показателей ЭП. Реально же ожидаемого увеличения технической скорости не произошло, она осталась на уровне 55 км/ч, что снизило эффект от применения рекуперативного торможения с 20 до 10%, а недостатки одноступечатого реостатного пуска наоборот, проявились особенно сильно, реостатные потери возросли с 10 до 20%. Отсюда итог – увеличение общего расхода энергии этими ЭП по сравнению с ЭП серии ЭР2.
В сложившейся ситуации для улучшения энергетических показателей ЭП с РРТ наиболее эффективным решением явилось применение ЭС ТЭП на базе сплотки из двух МВ. При этом за счёт получения таким образом одного переключения ТМ снизился расход энергии в режиме тяги, и увеличился возврат энергии при рекуперативном торможении. Дополнительное снижение расхода энергии достигается также за счёт применения энергосберегающих алгоритмов пуска и торможения.
После этого в главе описывается алгоритм работы схемы силовых цепей ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки, обеспечивающей перегруппировку ТМ в режимах пуска и рекуперативного торможения (рис. 1). Эта схема обеспечивает как индивидуальную работу вагонов модификации А и Б, так и их совместную работу в режиме сплотки.
Рис. 1. Упрощённая схема силовых цепей.
После этого даётся обоснование энергетической эффективности при использовании ЭС ТЭП на базе сплотки и приводятся результаты ТЭР МЭИ, контрольных ТЭИ ВНИИЖТа и эксплуатационных испытаний МЭИ, МЖД и ВНИИЖТа в депо им. Ильича и Железнодорожная (табл. 1).
Таблица 1
Далее в главе рассматривается другой вариант реализации ЭС ТЭП в пределах одного МВ с применением ВВ ТМ, как это сделано на ЭП ЭД4Э, но этот вариант проигрывает варианту ЭС ТЭП на базе сплотки как по энергетическим показателям, так и по надёжности работы. Этот ЭП дороже более чем на 10%, а также тяжелее на 4%. На ВВ ТМ применена компенсационная обмотка, что также позволяет применить рекуперативное торможение и увеличить глубину ослабления поля, но эффект от её применения невелик, при этом ВВ ТМ работают практически с предельными потенциальными условиями на их коллекторах, а их КПД на 1,5% ниже, чем у низковольтных ТМ такой же мощности. Кроме того, только вариант ЭС ТЭП на базе сплотки приемлем для модернизации существующих ЭП с РРТ, при этом полностью сохраняется штатное ЭО и существующие ТМ. Вариант же применения ЭС ТЭП с ВВ ТМ возможен только при постройке новых ЭП и требует как создания новых ТМ, так и использования нового комплекта ЭО, что значительно сокращает общий экономический эффект от её внедрения.
В завершение главы отмечается, что и ЭС ТЭП на базе сплотки не лишена следующих недостатков:
- уменьшение числа МВ в ЭП с некратным 4-м общим количеством вагонов, что приводит к некоторому ухудшению динамики;
- ухудшение по утверждению некоторых специалистов противобоксовочных свойств ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки при реостатном пуске на последовательном соединении ТМ;
- снижение сил тяги и торможения в процессе перегруппировок ТМ при существующих алгоритмах их реализации;
- повышенный нагрев дополнительной сглаживающей индуктивности, в качестве которой используется ИШ.
Поэтому далее в диссертации рассматриваются и исследуются вышеприведённые проблемы и предлагаются меры для их устранения.
Во второй главе описывается универсальная программа для выполнения ТЭР, при помощи которой в диссертации выполнены многие исследования. К этим ТЭР относятся:
- расчёт и построение пусковой характеристики;
- расчёт и построение тормозной характеристики;
- расчёт и построение кривых движения для заданных условий;
- определение расхода энергии на движение поезда.
Программа разработана автором в среде Mathcad с использованием элементов программирования применительно к пригородным ЭП ПТ с различными системами ТЭП. Она может быть использована также и для осуществления исследований в области ТЭП с выполнением ТЭР и для других типов ЭПС как железнодорожного, так и городского электрического транспорта, например, электровозов постоянного тока, электропоездов метрополитена, трамвайных вагонов.
При помощи этой программы возможно осуществить моделирование движения заданного типа ЭПС при его заданной системе ТЭП, при заданных внешних и внутренних параметрах его работы и при заданных условиях движения.
К основным параметрам ЭПС относятся его вес (масса), как полный, так и сцепной, общее число ТМ, максимальная скорость движения.
К основным параметрам системы ТЭП относятся: тип ТМ с обмоточными данными и нагрузочной характеристикой, передаточное число редуктора, диаметр движущего колеса, схемы соединения ТМ, число и номиналы ступеней сопротивлений пускового реостата, число и номиналы ступеней ОП, наличие того или иного типа электрического тормоза (рекуперативного, реостатного или обоих сразу), число и номиналы ступеней тормозного (балластного) реостата.
К основным внешним параметрам относятся напряжение в контактной сети (КС) как в режиме тяги, так и в режиме рекуперативного торможения.
К основным внутренним параметрам относятся ток уставки якоря ТМ как в режиме тяги, так и в режиме электрического торможения, а также максимальный ток возбуждения.
К заданным условиям движения относятся: общая длина участка и общее время движения по этому участку (то есть задана средняя скорость движения по участку), либо общая длина участка и длина участка следования в режиме тяги, а также среднее значение величины уклона на этом участке, который определяется предварительно путём сначала спрямления, а затем усреднения реального профиля пути. Знак величины среднего уклона определяется соответствующим направлением движения.
Для заданных параметров ТЭП, а также внешних и внутренних параметров его работы программой производится построение различных участков пусковой и тормозной характеристик, а затем их соединение в одно единое целое. Далее для заданных параметров ЭПС и заданных условий движения производится сначала построение отдельных участков кривых движения, а затем их компановка также в одно единое целое. После этого производится определение расхода энергии на движение поезда и ряд других необходимых исследователю параметров. При этом построение кривых движения производится при наличии только трёх основных её участков, соответствующих основным режимам движения, то есть тяги, выбега и торможения, а также для одного усреднённого значения уклона.
Возможность применения повторных режимов тяги и выбега, а также дополнительного торможения в программе не предусмотрена, также как и возможность движения по реально изменяющемуся профилю. Но это не имеет большого значения при выполнении оценочных исследований при сравнении ТЭП различных систем, особенно для пригородного пассажирского электрического транспорта, при нормальных условиях работы которого из-за небольших расстояний между остановочными пунктами кривая движения имеет в основном «традиционный» вид, то есть включает в себя один режим тяги, один выбег и одно торможение, а реальный профиль не успевает сильно измениться.
В итоге программа представляет следующие результаты (расчёта вместе с исходными данными):
- условный порядковый номер участка Nуч;
- общая длина участка Lуч (м);
- длина участка следования в режиме тяги Lт (м);
- время следования по участку Tх (с);
- средняя скорость следования по участку Vср (км/ч);
- средняя величина уклона i (о/оо);
- скорость начала выбега Vнв (км/ч);
- скорость начала торможения Vнт (км/ч);
- расход энергии на тягу Aтяга (Вт*ч);
- возврат энергии при рекуперативном торможении Aторм (Вт*ч);
- итоговый расход энергии Aсумм (Вт*ч);
- удельный итоговый расход энергии Aуд ((Вт*ч)/(т*км) и (кВт*ч)/км);
- величина реостатных потерь Aреост (Вт*ч);
- среднее ускорение при разгоне aср (м/с2);
- среднее замедление при торможении bср (м/c2).
В третьей главе рассмотрена проблема применения ЭС ТЭП на базе сплотки на современных ЭП серии ЭД4М в 11-ти вагонной составности с 5-ю МВ. При этом серийные ЭП ЭР2Р и ЭР2Т могут быть сформированы только с чётным общим количеством вагонов. При модернизации же из по ЭС ТЭП на базе сплотки они могут полноценно работать только при их формировании в 4-х, 8-ми или 12-ти вагонной составности. В 6-ти и 10-ти вагонной составности остаётся один непарный МВ, который может работать только в индивидуальном режиме, что существенно сокращает эффект от применения ЭС ТЭП на базе сплотки. Серийные ЭП ЭД4М могут работать как с чётным, так и с нечётным общим количеством вагонов, так как допускают либо отцепку одного МВ, либо прицепку одного дополнительного ПВ. Поэтому у этих ЭП, сформированных в 11-ти вагонной составности путём добавления одного ПВ появляется возможность заменить непарный 5-й МВ на ПВ. В случае такой замены при модернизации такого ЭП по ЭС ТЭП на базе сплотки он будет состоять из 4-х МВ, то есть из двух сплоток.
Далее в главе проводятся сравнительные ТЭР для 3-х ЭП, каждый из которых сформирован в 11-ти вагонной составности – серийного ЭД4М (рис. 2а), модернизированного по ЭС ТЭП с двумя сплотками ЭД4С (рис. 2б) и с ВВ ТМ ЭД4Э, схема формирования у которого такая же как у ЭП ЭД4М.
Рис. 2. Схемы формирования электропоездов.
В результате на участке длиною 3000 м в среднеэксплуатационном режиме движения, то есть при технической скорости 55 км/ч снижение расхода энергии у ЭП ЭД4С по отношению к ЭП ЭД4М, расход энергии которого принимался за базовый, составляет 37%, а у ЭП ЭД4Э – только 25% (табл. 2). В расчётном режиме движения, то есть при длине участка следования в режиме тяги, равном половине общей длины участка, это снижение расхода энергии по отношению к ЭП ЭД4М составляет для ЭП ЭД4С те же 37%, а для ЭП ЭД4Э – 20%, то есть экономия у ЭП ЭД4С ещё более значительная.
Таблица 2
Так как динамические показатели ЭП ЭД4С несколько хуже ЭП ЭД4М и ЭД4Э вследствие наличия снижений сил тяги и торможения и отсутствия одного МВ, то потребовалась проверка выполнения этим ЭП реального графика движения. В качестве реальных маршрутов были выбраны 3 пригородных маршрута МЖД: «Москва – пл. 47 км», «Москва – Фрязево» и «Куровская – Черусти». Выполненные ТЭР для этих 3-х маршрутов подтвердили, что ЭП ЭД4С свободно выполняет установленный график движения, то есть обладает необходимыми динамическими качествами.
В завершение главы рассматривается возможность улучшения динамических показателей ЭП ЭД4С в зоне высоких скоростей движения путём применения дополнительной более глубокой ступени ОП. Это особенно актуально при нагоне возникшего в пути следования опоздания, так как в этом случае требуется реализация наивысших скоростей движения. Такая возможность существует вследствие того, что ТМ этого ЭП, являясь низковольтными, при минимальной сегодня степени ОП 0,185 работают с потенциальными условиями на их коллекторах, далёкими от предельных – при такой степени ОП величина межламельного напряжения составляет 24,5 В при максимально возможной 35 В. Поэтому проведённые расчёты показали, что при достижении этой предельной величины возможно снизить степень ОП до 0,126.
В четвёртой главе в связи с утверждениями некоторых специалистов о резком ухудшении противобоксовочных свойств ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки из-за увеличения числа последовательно включённых ТМ при реостатном пуске на последовательном соединении с 4-х до 8-ми исследована реальная значимость этого фактора.
Теоретически, при поверхностном анализе, увеличение вдвое числа последовательно включённых ТМ при реостатном пуске ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки по сравнению с серийным ЭП с РРТ может привести к ухудшению его противобоксовочных свойств. С другой стороны примером, опровергающим вышеизложенные возможные опасения, является то, что в схожей аналогичной ситуации у электровозов постоянного тока серии ВЛ10, имеющих, также как и ЭП с ЭС ТЭП, последовательное соединение 8-ми ТМ, расчётное значение коэффициента сцепления не более чем на 6 % меньше, чем у электровозов переменного тока серии ВЛ80, имеющих параллельное соединение всех 8-ми ТМ, причём электровозы ВЛ10 и ВЛ80 имеют одинаковую механическую часть. Поэтому потребовалась реальная оценка развития процесса боксования при пуске серийных ЭП и ЭП с ЭС ТЭП, включая её вариант с ВВ ТМ.
Для этого проведены сравнительные теоретические расчёты для 3-х типов ЭП – серийного ЭД4М, модернизированного по ЭС ТЭП на базе сплотки ЭД4С и с ВВ ТМ ЭД4Э при одинаковых начальных условиях (скорости и силы тяги в момент начала боксования) для двух значений степени снижения силы сцепления незначительной на 10% и значительной на 50%.
Процесс боксования колёсной пары (КП) можно рассматривать как комбинированный электрический и механический переходные процессы. Для каждого случая составлена система дифференциальных уравнений, описывающих эти переходные процессы:
(1)
В результате решения системы дифференциальных уравнений (1) определены скорости проскальзывания (в км/ч) боксующей КП через 2 с после начала процесса боксования (табл. 3), после чего срабатывает противобоксовочная защита.
Таблица 3
При этом скорость проскальзывания боксующей КП у ЭП ЭД4С при снижении силы сцепления на 10% лишь на 3,8% больше, чем у ЭП ЭД4М, а при снижении силы сцепления на 50% - только на 1,9%, в то время как у ЭП ЭД4Э эти превышения составляют соответственно 11,3% и 3,3%.
Таким образом, результаты проведённых теоретических исследований по развитию процесса боксования показали, что у ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки практически нет ухудшения противобоксовочных свойств по сравнению с серийным ЭП с РРТ. Кроме того, его противобоксовочные свойства оказались даже значительно лучше, чем у ЭП с ВВ ТМ, имеющего при последовательном соединении такое же число последовательно включённых ТМ, как и у серийного ЭП с РРТ, но меньшее число пусковых реостатных позиций.
Кроме того, также проведено сопоставление теоретического расчёта по развитию процесса боксования у ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки (рис. 3) с результатами специально проведённого ВНИИЖТом эксперимента по его исследованию в рамках контрольных ТЭИ при практически одинаковых начальных условиях. Практически полное совпадение расчётных и опытных данных (табл.4) подтверждает достоверность всех проведённых теоретических исследований и опровергает версию значительного снижения противобоксовочных свойств ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки. Этот вывод подтверждают и машинисты ЭП, отмечающие лучшую динамику ЭП с ЭС ТЭП по отношению к серийным.
Рис.3. Теоретический процесс развития боксования.
Таблица 4
В пятой главе рассматриваются преимущества применения НВ ТМ на ЭП не только в режиме электрического торможения, но и в режиме тяги, в частности, с точки зрения улучшения энергетических и динамических показателей эксплуатируемых ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки в зоне низких скоростей движения из-за снижений сил тяги и торможения при ОП на последовательном соединении ТМ в режиме тяги и при рекуперативном торможении также на последовательном соединении ТМ. Применение НВ ТМ позволяет осуществить регулирование на постоянство силы тяги в диапазоне скоростей от 20 до 40 км/ч. В этом случае при пуске по мере возрастания скорости движения необходимо увеличивать ток якоря, чтобы при снижении магнитного потока не происходило уменьшение силы тяги. Изменение тока якоря с поддержанием постоянства силы тяги возможно осуществить путём соответствующего регулирования тока возбуждения (рис. 4).
Рис. 4. Пусковая характеристика.
Таким же образом возможно устранить снижение силы торможения в зоне рекуперативного торможения также при последовательном соединении ТМ в диапазоне скоростей от 50 км/ч до 25 км/ч. В этом случае при регулировании на постоянство силы торможения необходимо сначала повысить значение тормозного тока путём соответствующего уменьшения тока возбуждения, а затем по мере снижения скорости движения уменьшать его посредством увеличения тока возбуждения (рис. 5).
Рис. 5. Тормозная характеристика.
Далее в главе рассматривалась возможность исключения из силовой цепи при НВ ТМ дополнительной индуктивности, в качестве которой используется ИШ в режимах тяги и электрического торможения с целью устранения его тепловой перегрузки вследствие утяжеления режима работы в схеме ЭС ТЭП на базе сплотки. При этом также достигается некоторое снижение расхода энергии и упрощается схема силовых цепей МВ благодаря исключению из неё соответствующей коммутирующей аппаратуры.
В результате основной задачей является оценка степени влияния (значимости) наличия ИШ в силовой цепи на процесс нарастания тока якоря. При этом основным критерием является недопущение нарастания тока якоря свыше предельной величины при скачкообразном изменении напряжения в контактной сети (КС) для данного типа ТМ, которая для ТМ 1ДТ.003.5 составляет 1500 А за время срабатывания быстродействующей защиты, в качестве которой на ЭП выступает быстродействующий контактор с временем отключения 0,015 с. Влияние значимости ИШ на развитие переходного процесса рассматривается для двух случаев:
а) без какого-либо воздействия на ток возбуждения после резкого изменения напряжения в КС;
б) с воздействием на ток возбуждения при помощи возбудителя, приводящего к его принудительному увеличению в режиме тяги и уменьшению в режиме рекуперативного торможения.
Расчёты переходных процессов при резком изменении напряжения в КС (вверх в режиме тяги и вниз в режиме рекуперативного торможения) выполнены с использованием схемы замещения ТМ при НВ (рис. 6).
Рис. 6. Схема замещения тяговой машины при независимом возбуждении.
Для расчёта переходных процессов для режима тяги и рекуперативного торможения составлены системы дифференциальных уравнений:
(2)
В результате решения системы дифференциальных уравнений (2) получено, что как в режиме тяги (рис. 7), так и в режиме рекуперативного торможения (рис. 8) достигается удовлетворительное качество переходных процессов при исключении ИШ, но только в случае принудительного дополнительного воздействия на ток возбуждения.
Рис. 7. Переходные процессы в режимы в режиме тяги.
Рис. 8. Переходные процессы в режиме рекуперативного торможения.
В завершение главы определяется энергетическая эффективность от реализации как усовершенствованных алгоритмов управления ТЭП ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки при НВ ТМ, предназначенных для устранения снижений сил тяги и торможения, так и от исключения дополнительной индуктивности, в качестве которой выступает ИШ. При этом выполненные ТЭР показывают, что совместная реализация этих двух мероприятий приводит к дополнительному снижению расхода энергии на 5,3%.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В выполненном исследовании возможности и эффективности совершенствования и повышения энергетической эффективности ЭП ПТ оборудованных ЭС ТЭП получены следующие основные результаты:
1. Разработана универсальная программа для выполнения оценочных 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 с двумя сплотками ЭП, сформированных в 11-ти вагонной составности на участке со средней длиною 3 км и 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 за счёт реализации более глубокого 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 РРТ торможением и ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки практически одинакова. При этом ЭП с альтернативной ЭС с ВВ ТМ имеют даже худшие противобоксовочные 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 НВ ТМ на ЭП с ЭС ТЭП. 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 ТР, в качестве которого используется ИШ из-за его повышенного нагрева при НВ ТМ как в режиме тяги, так и в режиме электрического торможения. При этом достигается дополнительное снижение расхода энергии и упрощение ЭО ЭП. Совместное применение НВ ТМ в режиме тяги и исключение ИШ позволяет достичь дополнительного существенного снижения расхода энергии до 5%.
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.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
1. Гарбузюк В.С., Тулупов В.Д. Потенциальные возможности совершенствования тягового электропривода электропоездов постоянного тока // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. ХII Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов 2-3 марта 2006 г., М. МЭИ, 2006, Том 2, с. 185-186.
2. Гарбузюк В.С., Тулупов В.Д. Возможные пути повышения энергетической эффективности электропоездов постоянного тока // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. ХIII Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов 1-2 марта 2007 г., М. МЭИ, 2007, Том 2, с. 192-193.
3. Гарбузюк В.С., Тулупов В.Д., Кирюхин Ю.А. Рациональные пути совершенствования тягового электропривода электропоездов постоянного тока // Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты, Тез. докл. ХI Международная конференция 18-23 сентября 2006 г., Крым, Алушта, 2006, Часть 2, с. 159-162.
4. Гарбузюк В.С., Тулупов В.Д., Марченков А.П. Переходные процессы при электрическом торможении пригородных электропоездов // Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты, Тез. докл. ХII Международная конференция 29 сентября – 4 октября 2008 г., Крым, Алушта, 2008, с. 270.
5. Гарбузюк В.С., Тулупов В.Д., Карпов Ю.А. Обоснование возможности исключения дополнительной индуктивности при электрическом торможении электропоездов постоянного тока // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии, Труды: II Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием 16-18 мая 2007 г., Тольятти, 2007, Часть 2, с. 21-23.
6. Гарбузюк В.С., Тулупов В.Д. Альтернативные системы энергосберегающего тягового электропривода электропоездов постоянного тока // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии, Сборник трудов: Международная научно-техническая конференция 12-15 мая 2009 г., Тольятти, ТГУ, 2009, Часть 2, с.16-18.
7. Тулупов В.Д., Гарбузюк В.С. Оценка эффективности и возможности массового внедрения энергосберегающих электропоездов постоянного тока // Вестник МЭИ, 2010, №5, с. 73-80.
В работах 1,3,6 соискателю принадлежит постановка задачи и её решение. Выводы сделаны соавторами совместно. В работах 2,4,5,7 соискателю принадлежит решение задачи. Постановка задачи и выводы сделаны соавторами совместно.
