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 наук
• 2010

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.

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

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.