Улучшение энергетических показателей и оптимизация электрооборудования электропоездов постоянного тока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Перевалова, Марина Владимировна

• Перевалова, Марина Владимировна
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Перевалова, Марина Владимировна

Введение

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

1.1. Актуальность проблемы.

1.2. Алгоритм работы схем силовых цепей.

1.3. Исходные данные и методика расчета пуско-тормозных характеристик.

1.4. Построение кривых движения.

1.5. Расчет потребления энергии.

1.6. Расчет с помощью ЭВМ. 44 Выводы

2. Влияние реальных процессов изменения тока и способа учета потерь на пуско-тормозные диаграммы.

2.1. Расчет пуско-тормозных диаграмм с учетом ускорения поезда, индуктивности и вихревых токов тяговых машин.

2.1.1. Схема замещения тяговой машины при последовательном возбуждении тяговых машин и расчет ее параметров.

2.1.2. Расчет пуско-тормозных диаграмм с учетом ускорения и вихревых токов с помощью ЭВМ.

2.2. Влияние способа учета потерь в тяговом приводе на пуско-тормозные диаграммы.

2.2.1. Расчет потерь энергии в тяговом приводе.

2.2.2. Сравнение данных, полученных в результате расчетов, с опытными данными. 77 Выводы

3. Совершенствование и повышение энергетических показателей энергосберегающей системы тягового привода.

3.1. Обеспечение постоянства сил тяги и торможения на последовательной группировке тяговых машин.

3.2. Уменьшение времени срабатывания реостатного контроллера.

3.3. Рационализация режимов движения по длинным перегонам.

3.4. Оценка возможности исключения из цепи тормозного тока индуктивного шунта. 106 Выводы 121 Заключение 122 Список литературы 124 Приложение 1 128 Приложение 2 129 Приложение 3 130 Приложение 4 134 Приложение 5 136 Приложение 6 171 Приложение 7 189 Приложение 8 197 Приложение 9 198 Приложение 10 199 Приложение 11 200 Приложение 12 201 Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Улучшение энергетических показателей и оптимизация электрооборудования электропоездов постоянного тока»

Актуальность темы. В решении транспортных проблем больших городов нашей страны вообще и их связей с областными населенными пунктами и с ближайшими областными центрами и городами в особенности важное, а зачастую и решающее, место занимают пригородные электропоезда (ЭП). Железные дороги наиболее крупных мегаполисов страны, в первую очередь Москвы и Санкт-Петербурга, электрифицированы на постоянном токе и потребляют на обеспечение движения электропоездов наибольшее количество электроэнергии. В частности, на Московской железной дороге (МЖД) электропоезда постоянного тока (ПТ) потребляют за год из системы внешнего электроснабжения около 1 млрд. кВт.*ч электроэнергии и ее абсолютный и удельный не единицу работы (пробега поездов) расходы постоянно растут. Последнее обусловлено тем, что реальные энергетические показатели каждой новой серии ЭП оказываются хуже, чем предыдущей.

Сегодня большую часть эксплуатируемых ЭП ПТ (на МЖД около 50%) составляют однотипные по электрическому оборудованию поезда серий ЭР1 и ЭР2 выпуск которых начался еще в 1957 г. Низкие энергетические показатели этих ЭП обусловлены отсутствием у них рекуперативного тормоза и плохой динамикой, обусловленными относительно малой мощностью тяговых машин (ТМ) и высоким для таких машин напряжением на их коллекторах (более 1.5 кВ в реальных условиях эксплуатации), что при отсутствии компенсационной обмотки ограничивает ослабление поля (ОП) в тяге величиной 50% и практически исключает возможность применения рекуперации. Эти обстоятельства послужили основанием для разработки и освоения производства ЭП с рекуперативно-реостатным тормозом (РРТ). Эти работы, после изготовления нескольких опытных ЭП и трех модификаций поездов серии ЭР22, завершились освоением в 1982 г. серийного производства ЭП типа ЭР2Р.

На всех последующих сериях ЭП ПТ (ЭР2Т, ЭД2Т, ЭТ2Т, ЭД4) используются электрооборудование и с непринципиальными изменениями схема силовых цепей отработанного на ЭР2Р тягового электропривода (ТЭП) с РРТ.

Очевидными и весомыми преимуществами поездов ЭР2Р и последующих серий ЭП с РРТ перед ЭР2 являются:

- снижение вдвое напряжения на коллекторах ТМ, что повышает их к.п.д, и надежность, облегчает решение проблемы увеличения мощности и позволяет без применения компенсационной обмотки использовать глубокое ослабление поля и, следовательно, резко увеличить силу тяги на высоких скоростях движения;

- наличие электрического тормоза, обеспечивающего возможность возврата энергии в контактную сеть, повышающего безопасность движения и облегчающего работу машинистов, а также резко сокращающего износ тормозных колодок и колес и загрязнение балласта пути; отсутствие перегруппировок ТМ, что сокращает количество электрооборудования и упрощает схему силовых цепей и, следовательно, дополнительно повышает надежность работы поезда.

Вместе с тем, отсутствие перегруппировок ТМ на ЭП с РРТ значительно увеличивает пусковые реостатные потери и снижает количество рекуперируемой энергии. Влияние этих факторов на энергетические показатели

ЭП падает с ростом технической скорости движения VT, а во время разработки

ЭП с РРТ их энергетические показатели оценивались при VT=72 км/ч, при которой поезд ЭР2Р с РРТ благодаря лучшей динамике и наличию рекуперации потребляет из системы внешнего электроснабжения на 40% энергии меньше, чем поезд ЭР2, т.е. обладает превосходными энергетическими показателями.

Однако и сегодня Vx<55 км/ч и поезда типа ЭР2Р потребляют в тяге на 1/3 больше энергии, чем ЭР2 и это увеличение не компенсируется даже при

100% использовании рекуперации. Это обстоятельство послужило основанием для выполненной МЭИ сначала с участием РЭЗ, а затем МЖД разработки энергосберегающей системы тягового электропривода (ЭС ТЭП), в которой по отношению к серийным ЭП с РРТ достигнуто сокращение потребления энергии из внешнего электроснабжения благодаря применению схемы сплотки на 1/3 при сохранении реализованных па поездах с РРТ преимуществ. Полученные результаты, подтверждаемые шестилетним опытом эксплуатации оборудованного ЭС ТЭП поезда ЭР2Т-7166 и его многократными специальными испытаниями, являются достаточные основанием для использования ЭС ТЭП как при модернизации эксплуатируемых, так и при производстве новых ЭП, а это делает актуальной задачу улучшения технико-экономических показателей ЭП с ЭС ТЭП, что и является основной задачей выполненных исследований.

Цель работы. Целью выполненных исследований является разработка методик более точного расчета пуско-тормозных диаграмм с учетом влияния на процессы изменения токов якорей ТМ и сил тяги и торможения ЭП замедления роста токов якорей при выключении ступеней пускового резистора и включении ступеней ослабления поля из-за наличия в их цепи индуктивностей, запаздывания изменения потока возбуждения вследствие действия вихревых токов в магнитопроводах ТМ и изменения скорости движения в процессе роста токов якорей, а также - уточнение методики расчета тяговых и тормозных характеристик с обоснованием упрощенного учета суммы магнитных потерь в ТМ и механических потерь в редукторе и оценка с использованием разработанных методик энергетической эффективности перечисленных ниже технических решений:

- устранения снижения сил тяги и торможения в процессе перегруппировок ТМ;

- уменьшения времени хронометрического вращения реостатного контроллера;

- использования при движении по длинные перегонам при повторных включениях тяги только последовательной группировки ТМ.

Кроме того, целью работы является теоретическая оценка возможности упрощения электрооборудования, в частности, путем исключения из цепи токов якорей в режиме рекуперации токоограничивающего реактора.

Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием методов основ электрической тяги, теории тягового электропривода и автоматического управления. В разработанных методиках расчета пуско-тормозных диаграмм на ЭВМ использованы численные методы расчета электрических цепей. В частности для аппроксимации нагрузочных характеристик применялась кусочно-линейная аппроксимация кривой намагничивания. Для решения системы дифференциальных уравнений, описывающих схему замещения ТМ с учетом индуктивностей и вихревых токов, применялся метод Рунге-Кутты 4 порядка. Достоверность результатов теоретических исследований оценивалась их сопоставлением с опытными данными, полученными в процессе тягово-энергетических испытаний поезда с исследованной системой тягового привода па опытном кольце ВНИИЖТ.

Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты:

- разработана методика уточненного расчета пуско-тормозных диаграмм и тяговых и тормозных характеристик электропоездов на ЭВМ и составлены соответствующие программы;

- разработаны новые алгоритмы управления тяговым электроприводом, обеспечивающие улучшение динамических и энергетических показателей электропоездов постоянного тока, и оценена их эффективность;

- показана возможность упрощения электрооборудования электропоездов за счет исключения из цепи якорей в режиме рекуперативного торможения токоограничивающего реактора.

Практическая ценность и реализация работы. Практическая ценность работы определяется разработкой новых методик расчета пуско-тормозных диаграмм и тяговых и тормозных характеристик, а также - переходных процессов при колебании напряжения в контактной сети, дающих более точные результаты, что позволяет с большей достоверностью оценивать эффективность предлагаемых технических решений теоретически, не прибегая к дорогостоящим и длительным тягово-энергетическим испытаниям и также теоретически оценивать эффективность работы защиты тяговых машин от опасных режимов при изменении параметров их силовых цепей.

Результаты проведенных в работе исследований эффективности ряда мероприятий по улучшению динамических и энергетических показателем электропоездов будут использованы при совершенствовании систем тягового электропривода модернизируемых по энергосберегающей системе тягового электропривода электропоездов.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Перевалова, Марина Владимировна

ВЫВОДЫ

1. Устранение провалов сил тяги и торможения технически достигается за счет регулирования уставки тока якорей при последовательном соединении тяговых машин сплотки в режиме тяги в процессе ослабления поля, а в режиме рекуперации - при выключении балластного резистора. Эти мероприятия улучшают динамику поезда и снижают расход энергии ориентировочно на 2.5% • 2. Дополнительное снижение расход энергии дает уменьшение времени переключения одной позиции реостатного контроллера при его хронометрическом вращении с 0,5 до 0,2 с. Вместе с устранением провалов сил тяги и торможения общая экономия расхода энергии составляет порядка 7%.

3. Использование при повторных включениях тяги при движении по длинным перегонам работы тягового привода на последовательной группировке с ослаблением поля позволяет приблизиться к реализации движения с усредненной, скоростью и получить дополнительную экономию расхода энергии.

4. При исключении из цепи тормозного тока индуктивного шунта приращения тока при колебаниях напряжения контактной сети в режиме рекуперативного торможения не превышают нормативного значения. Это позволяет предположить, что индуктивный шунт можно не включать в цепь якорей в режиме рекуперативного торможения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В выполненном исследовании возможности и эффективности совершенствования и повышения энергетической эффективности энергосберегающей системы тягового электропривода электропоездов постоянного тока получены следующие основные результаты:

1. Показано, что традиционные методика расчета пуско-тормозпнх диаграмм дают существенные отклонения от реальных, что может привести к неточному определению эффективности предлагаемых технических решений по улучшению тягово-энергетических показателей электропоездов. Разработанная методика позволяет рассчитать расход энергии поездом с погрешностью порядка 2%, что вполне достаточно для практического использования.

2. Показана возможность существенного, до 7% снижения расхода энергии электропоездом с энергосберегающей системой тягового электропривода за счет устранения снижения сил тяги и торможения в процессе перегруппировок тяговых машин и ускорения хронометрического вращения реостатного контроллера.

3. Подтверждена возможность некоторого дополнительного сокращения расхода энергии при движении по длинным перегонам в режиме усредненной скорости при использовании имеющейся в энергосберегающей системе тягового электропривода возможности применения повторных включений тяги только последовательной группировки тяговых машин.

4. Показана возможность исключения из цепи тока рекуперации токоограничивающего реактора, в качестве которого используется индуктивный шунт и, следовательно, снижения его тепловой нагрузки и упрощения схемы силовых цепей и электрооборудования электропоезда.

Использование обоснованных в диссертации технических решений позволит существенно улучшать технико-экономические показатели электропоездов за счет повышения их тягово-энергетических свойств без усложнения и даже при упрощении электрооборудования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Перевалова, Марина Владимировна, 2003 год

1. Трахтман Л.М. Электрическое торможение электроподвижного состава. М. «Транспорт», 1965, 204 с.

2. Гуткин Л.В., Борисов Г.П. Энергетическая эффективность рекуперативно-реостатного торможения пригородных электропоездов постоянного тока. Вестник ВНИИЖТ. 1987. №4, с. 20-25.

3. Сборник научных трудов МЭИ №238, 1990.

4. Тулупов В.Д., Кирюхин Ю.А., Карпов Ю.Т., Марченков А.П., Назаров А.С., Перевалова М.В. Возможности резкого улучшения энергетических показателей электропоездов // Железнодорожный транспорт, 2003, № 6.

5. Розенфельд В.Е., Исаев И.П., Сидоров Н.Н. Теория электрической тяги. М. «Транспорт», 1983, 326 с.

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

7. Рубчинский З.М., Соколов С.И., Эглон Е.А., Лынюк Л.С. Электропоезда. М. «Транспорт», 1983,415 с.

8. Направление развития электрооборудования для электропоездов постоянного тока (Техническое предложение). Рига, ПО «РЭЗ», 1987, 65 с.

9. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию. В 2 томах. Том 2. М. «Энергоатомиздат», 1987, 592 с.

10. Байрыева Л.С., Прокопович А.В. Тяговые расчеы подвижного состава. Учебное пособие по курсу «Теория электрической тяги». М. МЭИ, 1997, 87 с.

11. Правила тяговых расчетов для поездной работы. М. «Транспорт», 1985, 320 с.

12. Гарнаев A. Visual Basic 6.0. Разработка приложений. Спб. «БХВ-Петербург», 2001,448 с.

13. Мудров А.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. Томск «Раско», 1991,271 с.

14. 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.

15. Иоффе А.Б. Тяговые электрические машины. M.-J1. «Энергия», 1965,232 с.

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

17. Барашков А. С. Интегральное исчисление. Дифференциальные уравнения. М. МЭИ, 1997,136 с.

18. Демирчян К.С., Бутырин П.А. Моделирование и машинный расчет электрических цепей. М. «Высшая школа», 1998, 335 с.

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

20. Токарев Б.Ф. Электрические машины. М. «Энергоатомиздат», 1990, 624 с.

21. Алексеев А.Е. Тяговые электрические машины и преобразователи. M.-JI. «Энергия», 1967,432 с.

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

23. Расписание движения электропоездов. Горьковское направление. Москва -Петушки, Петушки — Москва. М. «Типография ИПО профсоюзов ПРОФИЗДАТ», 2001, 114 с.

24. Мирошниченко Р.И. Режимы работы электрифицированных участков. М. «Транспорт», 1982,207 с.