Совершенствование энергосберегающей системы тягового привода электропоезда постоянного тока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Гарбузюк, Василий Сергеевич

  • Гарбузюк, Василий Сергеевич
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 2010, Москва
  • Специальность ВАК РФ05.09.03
  • Количество страниц 210
Гарбузюк, Василий Сергеевич. Совершенствование энергосберегающей системы тягового привода электропоезда постоянного тока: дис. кандидат технических наук: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы. Москва. 2010. 210 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гарбузюк, Василий Сергеевич

Введение.

Глава 1. Энергосберегающая система тягового электропривода электропоездов постоянного тока и оценка её потенциальных технико-экономических показателей.

1.1. Актуальность проблемы.

1.2. Энергосберегающая система тягового электропривода.

1.3. Потенциальные энергетические показатели.

1.4. Преимущества перед альтернативной системой.

1.5. Проблемы при использовании энергосберегающей системы и возможные пути их решения.

1.6. Выводы по главе 1.

Глава 2. Универсальная программа тягово-энергетических расчётов для электропоездов постоянного тока с различными системами тягового электропривода.

2.1. Назначение и общее описание программы.

2.2. Исходные данные и результаты расчёта.

2.3. Расчёт и построение пусковых характеристик.

2.4. Расчёт и построение тормозных характеристик.

2.5. Расчёт и построение кривых движения.

2.6. Определение расхода энергии.

2.7. Выводы по главе 2.

Глава 3. Оптимизация энергетических и улучшение динамических показателей электропоездов постоянного тока с энергосберегающей системой тягового привода.

3.1. Существующие и перспективные схемы формирования различных электропоездов.

3.2. Энергетические и динамические показатели различных электропоездов.

3.3. Оценка возможности повышения тяговых свойств электропоездов.

3.4. Выводы по главе 3.

Глава 4. Оценка противобоксовочных свойств электропоездов с различными системами тягового электропривода.

4.1. Влияние числа последовательно включённых тяговых машин на процесс боксования.

4.2. Теоретический расчёт процесса боксования различных электропоездов.

4.3. Сопоставление теоретического и экспериментального процессов развития боксования.

4.4. Выводы по главе 4.

Глава 5. Оценка возможности применения независимого возбуждения тяговых машин на электропоезде с энергосберегающей системой тягового привода.

5.1. Обоснование целесообразности применения независимого возбуждения в тяговом режиме.

5.2. Совершенствование энергосберегающих алгоритмов пуска и электрического торможения.

5.3. Оценка возможности исключения индуктивного шунта из силовой цепи.

5.4. Энергетические показатели при реализации независимого возбуждения.

5.5. Выводы по главе 5.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Электротехнические комплексы и системы», 05.09.03 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование энергосберегающей системы тягового привода электропоезда постоянного тока»

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 эффективность; о; >

- 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.

10

Похожие диссертационные работы по специальности «Электротехнические комплексы и системы», 05.09.03 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Гарбузюк, Василий Сергеевич

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.

159

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гарбузюк, Василий Сергеевич, 2010 год

1. Гапанович В А. / Мы всегда в движении. РЖД за экономию энергоресурсов // Межотраслевой альманах «Деловая слава России», 2008, выпуск 5, с. 55-57.

2. Трахтман Л.М. / Электрическое торможение электроподвижного состава // Транспорт, 1965, 204 с.

3. Кирюшин Д.Е. / Система показателей при комплексной оценке тягового электропривода пригородных и межрегиональных электропоездов // Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук, ВНИИЖТ, 2005.

4. Тулупов В.Д., Кирюхин Ю.А., Марченков А.П. и др. / Возможности резкого улучшения энергетических показателей электропоездов // Железнодорожный транспорт, 2003, №6, с. 45-51.

5. Протокол контрольных тягово-энергетических испытаний электропоезда постоянного тока ЭР2Т-7166 с двумя группировками тяговых двигателей, модернизированного по схеме МЭИ. / ВНИИЖТ, июнь 1999 г., 28 с.

6. Розенфельд В.Е., Исаев И.П., Сидоров H.H. / Теория электрической тяги. // М., «Транспорт», 1983, 326 с.

7. Байрыева JI.C., Прокопович A.B. / Тяговые расчёты подвижного состава. Учебное пособие по курсу «Теория электрической тяги». // М., МЭИ, 1997, 87 с.

8. Рубчинский З.М., Соколов С.И., Эглон Е.А., Лынюк JI.C. / Электропоезда. //М., «Транспорт», 1983, 415 с.

9. Тяговый двигатель постоянного тока типа ТЭД-4У1 для пригородных электропоездов. Технические условия. ТУ 3355-168-05757908-2003.

10. Служебное расписание движения пригородных поездов, Московско-Рязанское отделение, Казанский вокзал. / М., 2003, 288 с.

11. Служебное расписание движения пригородных поездов, Курский вокзал, Горьковское направление. / М., ООО «Технолоджи Трейд», 2007, 160 с.

12. Тулупов В.Д. / Автоматическое регулирование сил тяги и торможения электроподвижного состава. // М., «Транспорт», 1976, 368 с.

13. Электрическая тяга на рубеже веков / Хомяков Б.И., Басов Ю.А., Назаров О.Н., Белокрылин Ю.А. Сборник научных трудов. - Под редакцией Лисицына А.Л. // Москва, Интекст. - 2000. - 256 с.

14. Тулупов В.Д., Гарбузюк B.C. / Оценка эффективности и возможности массового внедрения энергосберегающих электропоездов постоянного тока // Вестник МЭИ, 2010; №5, с. 73-80.

15. Находкин М.Д., Василенко Г.В., Бочаров В.И., Козорев М.А. / Проектирование тяговых электрических машин. // М., «Транспорт», 1976, 624 с.

16. Краснов M.JI. / Обыкновенные дифференциальные уравнения. // М., «Высшая школа», 1983, 127 с.

17. Барашков A.C. / Интегральное исчисление дифференциальные уравнения. М.,//МЭИ, 1997.

18. Сводный протокол приёмочных тягово-энергетических испытаний. Корректировка конструкторской документации для модернизации электропоездов серии ЭР2Т по техническому предложению профессора В.Д. Тулупова. / ВНИИЖТ, ноябрь 2005 г., 80 с.

19. Ляпунова Н.Д. / Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. «Исследование эффективности применения на вагонах метрополитена независимого возбуждения тяговых машин». 1981, 289 с.

20. Аваков В.А., Тулупов В.Д., Хоменко В.И. / Повышение тяговых свойств электровозов постоянного тока при независимом возбуждении тяговых машин. // «Электротехника», 1985, №4 , с.44-47.

21. Тулупов В.Д. / Тяговый электропривод постоянного тока с наилучшими технико-экономическими показателями. // Сборник «Электросила», Санкт-Петербург, 2002, с. 196-210.

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.