Выбор параметров статических преобразователей пассажирских вагонов с централизованным электроснабжением с учетом условий эксплуатации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Корольков, Владимир Анатольевич

• Корольков, Владимир Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Корольков, Владимир Анатольевич

Введение

1 Состояние разработок и внедрения преобразователей для питания собственных нужд на пассажирском подвижном составе

1.1 Применение преобразователей на российских железных дорогах

1.2 Преобразователи фирмы ABB

1.3 Преобразователи фирмы Aistom

1.4 Преобразователи фирмы EVPU, Словакия для пассажирских вагонов

1.5 Способы определения основных параметров статических преобразователей и системы централизованного электроснабжения вагона

2 Анализ параметров и режимов работы потребителей электроэнергии пассажирских вагонов

2.1 Состав потребителей вагона

2.2 Анализ эксплуатационных режимов питания электрооборудования вагонов высоким напряжением 36 2.3. Математическая модель работы электропотребителей вагона 39 2.4 Выбор параметров источников питания вагонных потребителей 47 2.4.1 Потребители переменного тока 220 В 50 Гц 47 2.4.2. Потребители, обеспечивающие работоспособность вагона и безопасность движения

2.4.3 Низковольтные нагреватели

2.4.4 Электродвигатели

3 Анализ режимов работы аккумуляторных батарей и их зарядных устройств

3.1 Алгоритмы заряда и число аккумуляторов в батарее

3.2 Режимы разряда аккумуляторной батареи 61 3.3. Методика определения ёмкости аккумуляторной батареи

3.3.1. Определение ёмкости по времени и току разряда

3.3.2. Оценка возможности применения аналитического выражения про, цесса разряда никель-кадмиевой аккумуляторной батареи к вагонным аккумуляторным батареям

3.3.3. Методика определения потребной ёмкости аккумуляторной батареи по её нагрузочной способности на основании аналитического выра-, жения процесса разряда

3.4. Математическая модель работы аккумуляторной батареи и её зарядно-I го устройства

4 Исследование энергетических показателей климатического оборудования

4.1 Анализ режимов работы и конструктивных особенностей климатического | оборудования

4.2 Математическая модель работы климатического оборудования

4.2.1. Общие положения

4.2.2 Исходные данные

4.2.3 Принципы расчёта тепловых процессов при работе климатического оборудования

4.2.4 Математическая модель системы термоавтоматики 92 4.3 Сравнительный анализ энергозатрат при различных исполнениях системы климатического оборудования

5 Экспериментальное исследование режимов работы и параметров преобразователей 99 5.1. Общие положения

5.2 Методика испытаний преобразователей. Испытательное и измерительное оборудование

5.3 Методика определения энергетических показателей статических преобразователей

5.4 Суточные графики нагрузки преобразователей вагонов

5.5 Направления совершенствования структурных схем статических преобразователей

5.6 Мощнные характерики преобразователей вагоновц.э

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выбор параметров статических преобразователей пассажирских вагонов с централизованным электроснабжением с учетом условий эксплуатации»

Широкая электрификация железных дорог создала предпосылки для применения централизованного электроснабжения (ц.э.с.) потребителей пассажирских поездов. Применение системы ц.э.с. потребителей пассажирского поезда в СССР началось в 60-е годы с внедрения высоковольтного отопления, как наиболее энергоёмкого потребителя вагона. При этом низковольтные потребители (цепи управления, освещение, вентиляция и др.) питались от системы автономного электроснабжения (а.э.с.), включающей в себя генератор с приводом от оси колёсной пары и аккумуляторные батареи большой ёмкости.

В настоящее время основными тенденциями развития пассажирского движения являются повышение комфорта проезда пассажиров и увеличение скоростей движения. Увеличение скоростей движения пассажирских поездов до 200 км/ч потребовало исключения привода генератора от оси колёсной пары для обеспечения безопасности движения. В частности, в соответствии с инструкцией по организации скоростного движения [1] на российских железных дорогах (РЖД) централизованное электроснабжение должно применяться на всех вагонах, предназначенных для эксплуатации со скоростями свыше 140 км/ч, а по современным требованиям Международного союза железных дорог (МСЖД) пассажирский вагон международного сообщения должен иметь конструкционную скорость 200 км/ч, централизованное электроснабжение, и с 1995 г. странам Европы рекомендовано прекратить выпуск пассажирских вагонов с а.э.с [2]. Поэтому внедрение ц.э.с. на РЖД было начато на скоростных вагонах для международного сообщения и на вагонах для скоростной линии Москва - Санкт-Петербург. По мере расширения полигона скоростного движения (в ближайшей перспективе - линии Москва - Нижний Новгород, Москва - Ростов - Минеральные воды, Адлер) потребность в таких вагонах будет возрастать [3].

Повышение комфорта пассажиров и особенно применение на вагонах кондиционирования воздуха потребовало увеличения мощности устройств электроснабжения вагона. Так, на выпускаемых в настоящее время вагонах с кондиционированием воздуха мощность генератора составляет 32 кВт постоянного тока 110 В [4]. При такой мощности дополнительное сопротивление движению вагона от работы подвагонного генератора соизмеримо с основным удельным сопротивлением движению пассажирского вагона при скорости 80 км/ч. Поэтому с точки зрения повышения провозной способности за счёт увеличения числа вагонов в составе применение вагонов с ц.э.с. перспективно и на тех электрифицированных направлениях, где в ближайшее время не предусматривается введение скоростного движения. Протяжённость электрифицированных дорог составляет 47 % от общей протяжённости РЖД, на них выполняется до 78 % от общего объёма перевозок [5]. В пассажирском сообщении на этих направлениях ещё в 70-е годы внедрена и широко применяется для обеспечения работы электроотопления вся инфраструктура, необходимая для работы ц.э.с. [6, 7], в том числе и для эксплуатации длинносоставных поездов (до 24 вагонов) [8]. Проблема пропуска вагонов с ц.э.с. по неэлектрифицированным участкам также проработана [9, 10] и с этой целью в настоящее время создаётся пассажирский тепловоз с отбором мощности для электроснабжения поезда [11]. На широком полигоне эксплуатации раскроются и другие преимущества ц.э.с., главные из которых независимость электроснабжения вагонов от скорости движения и возможность его обеспечения при стоянках на станциях и при отстое в пунктах оборота и более высокий, чем при а.э.с., общий к.п.д. системы. Последнее объясняется тем, что к.п.д. системы ц.э.с., зависит только от к.п.д. применяемых на вагонах преобразователей и составляет 0,8.0,9, а общий к.п.д. а.э.с. определяется потерями при преобразованиях электрической энергии в механическую на локомотивах и механической энергии в электрическую на вагонах, а также потерями в низковольтных преобразователях, применяемых на вагонах для питания ряда потребителей и составляет 0,3.0,6 [12]. Таким образом, при ц.э.с. лучше используется мощность локомотива. По этой причине

Основным препятствием для широкого внедрения ц.э.с. в настоящее время является высокая цена преобразователей зарубежного производства и отсутствие надёжных отечественных преобразователей, сопоставимых по цене с комплексом устройств а.э.с. (подвагонным генератором, приводом и т.п.). Цена преобразователя напрямую зависит от его мощности и числа выходных каналов, поэтому рациональный выбор его параметров с учётом условий эксплуатации является важной и актуальной задачей.

Цель настоящей работы - создание методик для определения основных параметров систем электроснабжения и высоковольтных преобразователей. Для этого требуется сформулировать критерии оптимизации и на их основании определить основные параметры системы.

Заключение диссертации по теме «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация», Корольков, Владимир Анатольевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Определены состав и графики работы электропотребителей пассажирских вагонов различных типов в течение суток в зависимости от сезона года. Выполнен анализ графиков и режимов работы электропотребителей пассажирских вагонов с централизованным электроснабжением. Установлено, что на величину необходимой мощности преобразователя наибольшее влияние оказывают параметры аккумуляторной батареи, установки кондиционирования воздуха, а на вагоне-ресторане - дополнительно состав кухонного электрооборудования.

2. С помощью разработанной методики определения необходимой ёмкости аккумуляторной батареи установлено, что ёмкость никель-кадмиевой аккумуляторной батареи вагона с централизованным электроснабжением может быть уменьшена в 2,5 раза по сравнению с батареей вагона с автономной системой электроснабжения и в 2 раза по сравнению с батареями существующих образцов вагонов с ц.э.с.

3. Разработана математическая модель работы электрооборудования вагона, включающая климатическое оборудование. С её использованием, выбран наилучшей с точки зрения экономии электроэнергии вариант исполнения системы климатического оборудования, предусматривающий регулирование объёма подачи наружного воздуха в режимах вентиляции и отопления изменением скорости вращения вентилятора и питание двигателей компрессора и вентилятора конденсатора холодильной установки от одного источника.

4. Экспериментально определены энергетические показатели основных элементов (модулей) вагонных преобразователей, разработана методика, позволяющая определить параметры любого режима нагрузки преобразователя по характеристикам отдельных модулей. Установлено, что КПД преобразователя может быть повышен за счёт исключения последовательных преобразований энергии, например, применена схема с двумя гальванически развязанными промежуточными шинами постоянного тока стабилизированного напряжения 600 и 110 В постоянного тока.

6. Определены мощность преобразователей для вагонов различных типов, а также состав и мощность модулей, входящих в состав преобразователя. Выходная мощность в продолжительном режиме преобразователя вагона без кондиционирования воздуха составляет 8 кВт, вагона с кондиционированием воздуха - 26 кВт, вагона-ресторана - 37 кВт.

7. Результаты проведённых исследований использованы при разработке утверждённых в установленном порядке документов:

- "Технических требований к перспективным пассажирским вагонам локомотивной тяги" в части электрооборудования;

- "Технических требований к моторвагонному подвижному составу" в части вспомогательного электрооборудования электропоездов;

- "Общих технических требований к типовому ряду высоковольтных статических преобразователей для пассажирских вагонов и электропоездов";

- Типовой методики электрических испытаний электрооборудования пассажирских вагонов с централизованным электроснабжением ТМ-21-002-98;

- Типовой методики электрических испытаний нетягового оборудования пассажирского подвижного состава ТМ 07-05-02.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Корольков, Владимир Анатольевич, 2003 год

1. Инструкция по техническому обслуживанию и эксплуатации сооружений, устройств , подвижного состава и организации движения на участках обращения скоростных пассажирских поездов. № ЦРБ-393 от 19.07.1996 г. М., 1996 г. 56 с.

2. Памятка МСЖД 550 VE Устройства электроснабжения пассажирских вагонов.

3. Скоростной и высокоскоростной железнодорожный транспорт. Под общей редакцией В.И. Киселёва. Т.1. СПб., 2001. - 320 с.

4. Ребрик Б.Н., Гомола Г.Г., Модель С.Н. Электрооборудование пассажирских вагонов с кондиционированием воздуха. Под. ред. Б.Н.Ребрика. М., Транспорт, 1986. 165 с.

5. Котельников A.B. Электрификация железных дорог. Мировые тенденции и перспективы. М.: Интекст, 2002. - 104 с.

6. Инструкция по эксплуатации электрического и комбинированного отопления вагонов пассажирских и почтово-багажных поездов. №ЦЛ/54-ЦТ/14 от 1.08.1996 г. М., 1996 г. 24 с.

7. Бельдей В.В., Болотин З.М., Гомола Г.Г. Электрическое отопление пассажирских поездов// Электрическая и тепловозная тяга, 1980, №11, с.26.,.30.

8. Гомола Г.Г., Сергеев Н.А. Устройства для электроотопления поездов на тепловозах// Электрическая и тепловозная тяга, 1982, С.45.47.

9. Ляшенко А.С., Коссов Е.Е., Корнев А.Н., Азаренко В.А., Логинова Е.Ю. Повышение эффективности использования мощности энергетической установки тепловоза с системой электроснабжения поезда. // Вестник ВНИИЖТ. -2000.-№1. с. 25-27.

10. Подопросветов А.В., Морошкин Б.Н. Знакомьтесь: тепловоз ТЭП70А//Локомотив. 2003. №1. С. 36-38

11. Повышение энергетических и эксплуатационных качеств высоковольтного оборудования пассажирских вагонов. Гомола Г.Г. Труды Всесоюз. науч.-исслед. ин-та ж.-д. транспорта. Вып. 566, 1976. 72 с.

12. Гомола Г. Г., Корольков В. А. Централизованное электроснабжение пассажирских поездов: современное состояние и перспективы развития // Вестник ВНИИЖТ. 1997. №2. С. 41.47.

13. Корольков В. А. Методика определения энергетических показателей статических преобразователей пассажирских вагонов / Электрическая тяга на рубеже веков. Труды ВНИИЖТ / Под ред. А.Л.Лисицына. М.: Интекст, 2000. -C.231.246.

14. ICE Zug derZukunft. Hestra-Verlag. 1996, 154 s.

15. Modular auxiliary converter system in GTO- and IGBT-tecnoIogy. ABB Transportation Systems Ltd. Publication № CHVEK 1741 E, 1993 r.

16. Назаров О.Н. Статические преобразователи для подвижного состава железных дорог. 1 Железнодорожный транспорт за рубежом. Серия II. Подвижной состав, экспресс-информ., 1987, с. 9 20.

17. Технические данные преобразователей. Информационный проспект Tlektrotecnicky vyskumny a projektovy ustav a.s. (EVPU)., 1997, 13 c.

18. Памятка МСЖД 552 VE Снабжение электропоездов электроэнергией от поездной электрической магистрали.

19. Памятка МСЖД 626 VE. Устройства электроснабжения на тепловозах для электроснабжения вагонов по поездной электрической магистрали.

20. Памятка МСЖД 600 VE. Электрическая тяга поездов от контактной сети.

21. Гомола Г.Г. Анализ опыта внедрения централизованного электроснабжения магистральных пассажирских вагонов в Западной Европе// Железнодорожный транспорт за рубежом, серия III, ЦНИИТЭИ МПС, М., 1979, вып.1, С.11.23.

22. Гомола Г.Г. Электрические стационарные установки для электроотопления поездов на неэлектрифицированных участках Государственных железных дорог ФРГ// Железнодорожный транспорт за рубежом, серия III, ЦНИИТЭИ МПС, М., 1979, вып.З, С.11.23.

23. Гомола Г.Г. , Сергеев Н.А. Внедрение электрического отопления поездов на участках с тепловозной тягой ОСЖД// Железнодорожный транспорт за рубежом, серия II, ЦНИИТЭИ МПС, М., 1980, вып.5, с.1.,.13.

24. Гомола Г.Г. Электрическая установка с трансформаторной подстанцией 162/3 Гц для подогрева поездов// Железнодорожный транспорт за рубежом, серия II, ЦНИИТЭИ МПС, М., 1981, вып.2, C.1.7.

25. Розенфельд В.Е., Шевченко В.В., Крушинский Г.А. и др. Электроснабжение пассажирских вагонов от контактной сети. "Железнодорожный транспорт", 1965, №9 с.64-68.

26. Григорьев Ю.П., Иньков Ю.М., Иоспа З.С., Феактистов В.П. Проблема централизованного электроснабжения пассажирских поездов при электрической и тепловозной тяге.-"Электричество", 1971, №6, с31-39.

27. Гомола Г.Г., Модель С.Н., Рубчинский З.М., Ребрик Б.Н. Централизованное электроснабжение пассажирского вагона// Железнодорожный транспорт, 1979, №6, С.61.63.

28. Электровозы магистральные скоростные. Технические требования. Утверждены МПС России 09.12.2002 г. М.: 2003 г., 33с.

29. Мюллер К.Д., Покровский C.B., Гай Ш., Штер М. ЭП10 электровоз нового поколения для российских железных дорог //Железные дороги мира, 2003, №3, с. 22.29.

30. Гомола Г . Г. , Стабулниек Я. П. Полупроводниковый высоковольтный преобразователь мощностью 30 кВт для пассажирского вагона с кондиционированием воздуха . Тр.ЦНИИ МПС , вып.477. 1972.С.84-94.

31. Гомола Г.Г., Рубчинский З.М., Калинкин Е.И. Стабилизированный статический высоковольтный преобразователь для пассажирского вагона с кондиционированием воздуха// Вестник ВНИИЖТ, 1975, №8, С.15.18.

32. Kluge H. Statische Einrichtungen zur Energieversorgung von Reisezugvagen aus der DET -Die Eisenbahntehnik. 1977, № 10, s. 421 423

33. Krogeris A. Latkovski L. Stabulniek J. Statische Energiewandler fur die Elektroenergieversorgung von Schienefahrzeugen. Elektrie 32(1978) №1, s. 30 -33.

34. Knuth W. Shultz W. Die elektrische Anlage im Weitstrecken-Speisewagen mit Energieversorgung aus der Zugsammeischiene. DET -Die Eisenbahntehnik. 1981, № 3, s. 110-113

35. Гомола Г.Г. Высоковольтный статический преобразователь для пассажирского вагона// Железнодорожный транспорт за рубежом, серия И, ЦНИИТЭИ МПС, М„ 1983, С.29.34.

36. Караев Р.И., Волобринский С.Д., Ковалёв И.Н. Электрические сети и энергосистемы / Учебник для ВУЗов ж.-д. транспорта. Изд. 3-е, перераб. и доп. -М.: Транспорт. 1988. 326 с.

37. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л., Степанов В.П. Методы вероятностного моделирования в расчётах характеристик электрических нагрузок потребителей. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 128 с.

38. Шустер A.A. Расчёт мощности источников электроснабжения пассажирских вагонов с кондиционированием воздуха. Труды ВНИИ вагоностроения, вып13, Москва. 1971 г.

39. Инструкция о порядке восстановления повреждённой контактной сети электрифицированных железных дорог ЦЭ4420, утв. МПС 23.08.86 г. М., «Транспорт», 1987, 23 с.

40. Организация работы вагонов-ресторанов / П.Б.Губенко, Т.А.Данилина, З.М.Болотин, Т.М.Тарнижевская. 2-е изд., перераб. и доп. - М.'Экономика, 1983.-184 с.

41. Санитарные правила по организации пассажирских перевозок на ж. -д. транспорте. (СП 2.5.1198-03), М.: 2003 г.

42. Китаев Б.Н. Теплообменные процессы при эксплуатации вагонов, М.: Транспорт, 1984 г.-184 с.

43. Правила устройства электроустановок/ Минэнерго СССР. 6-е изд., пере-раб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 640 с.

44. Вольдек А.И. Электрические машины. Изд. 2-е перераб. и доп. Л.: Энергия, 1974 г.-840 с.

45. Романов В.В., Хашев Ю.М., Химические источники тока. 2-изд., перераб. и доп. - М.: Сов. радио , 1978. - 264 е., ил.

46. Драчев Г. Г., Аккумуляторы подвижного состава. М., «Транспорт», 1970, 160 с.

47. Корнев А.Н., Аникеев И.П. Устройство и обслуживание аккумуляторных батарей //Локомотив. 2003. №1. с. 24.27.

48. Вайлов A.M., Эйгель Ф.И., Автоматизация контроля и обслуживания аккумуляторных батарей. М., "Связь", 1975. 152 е., ил., библ.

49. Электропоезда. Под ред. 3. М. Рубчинского. М.: Транспорт, 1983 г. 415 с.

50. Таев И.С. Электрические аппараты. Общая теория. М., "Энергия ", 1977. 272 с.

51. Калинкин Е.И. Новое поколение аккумуляторных батарей для пассажирских вагонов // Вестник ВНИИЖТ. 2002. №1. с.23.,.25.

52. Щелочные кадмиево-никелевые, железо-никелевые аккумуляторы и батареи. Инструкция по уходу и эксплуатации. 21 с.

53. Курс метеорологии (физика атмосферы). Под ред. П.Н.Тверского, П., Гидро-метиздат, 1951,-887 с.

54. СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика / Минстрой России. М.: ГУП ЦПП, 1997. -140 с.

55. Пассажирские вагоны локомотивной тяги нового поколения. Общие технические требования. Утв. МПС 26 июля 1996 г, 21 с.

56. Болотин З.М. и др. Электрическое и комбинированное отопление пассажирских вагонов. М.: Транспорт, 1989 г. 237 с.

57. ФТС ЖТ ЦТ 03-98 Федеральные требования по сертификации на железнодорожном транспорте. Технический регламент. Электропоезда. Требования по сертификации.

58. ФТС ЖТ ЦЛ 01-98. Федеральные требования по сертификации на железнодорожном транспорте. Технический регламент. Вагоны пассажирские железнодорожные. Требования по сертификации.

59. Памятка МСЖД 550-2 \/Е Устройства электроснабжения пассажирских вагонов типовое испытание.

60. Глебов И.А., Левин В.H., Равинский П.А., Рябуха В.И. Вентильные преобразователи в цепях электрических машин // издательство «НАУКА» (ленинградское отделение). 1971, с. 1.28

61. Тихомиров П.М. Расчёт трансформаторов. Учеб. пособие для ВУЗов. 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1986. 528 с.

62. Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. Т.2. -Л.: Энергоиздат, 1981.-416 с.

63. Сандпер A.C., Гусяцкий Ю.М. Тиристорные инверторы с широтно-импульсной модуляцией для управления асинхронными двигателями. М., "Энергия", 1968 г. 96 с.

64. Энергетическая электроника. Справочное руководство. Пер. с нем. / под ред. В.А. Лабунцова. М.: Энергоатомиздат, 1987 г., 464 с.

65. Тихменев Б.Н., Трахтман Л.М. Подвижной состав электрифицированных железных дорог. Учебник для ВУЗов ж.-д. трансп. 4-е изд., перераб. и доп. -М.; Транспорт, 1980. 471 с.