автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Улучшение энергетических показателей и оптимизация электрооборудования электропоездов постоянного тока

На правах рукописи

ПЕРЕВАЛОВА МАРИНА ВЛАДИМИРОВНА

УЛУЧШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ И ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ ПОСТОЯННОГО

ТОКА

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I

I

I

Москва - 2003 г.

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 Иньков Юрий Моисеевич

кандидат технических наук Мнацаканов Валерий Александрович

Ведущее предприятие -

ОАО «Всероссийский научно исследовательский институт вагоностроения»

Защита диссертации состоится 21 ноября 2003 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. Красноказамерная, д. 13.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 111250, г.Москва, ул. Красноказамерная, д. 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

автореферат разослан « »_2003 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета Д 212.157.02 кандидат технических наук, доцент

Цырук С.А.

0.ОО32А,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 на 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.

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

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.Петервург -

оэ wff *«bf3_

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. Это обстоятельство послужило основанием для выполненной МЭИ сначала с участием ЮЗ, 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 ориентировочно на 1/3 благодаря применению схемы сплотки 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 достаточным 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 длинным 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-Кутш 4 порядка. Достоверность результатов теоретических исследований оценивалась их сопоставлением с опытными данными, полученными в процессе контрольных 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.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на втором международном симпозиуме "Энергосбережение, качество электроэнергии, электромагнитная совместимость на железнодорожном транспорте" (МИИТ, 2000 г.);

- на международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электроподвижного состава" (Новочеркасск, 2000

г.);

- на научно-практической конференции "Транспортный электропривод - 2001" (АО "Элегаросила", 2001) >

- на международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электроподвижного состава" (Новочеркасск, 2003

г.);

- на научно-технических семинарах кафедры ЭТ МЭИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано девять печатных

работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения. Содержит 127 страниц машинописного текста с таблицами и иллюстрациями. Список использованной литературы насчитывает 34 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и задачи исследований, дана общая характеристика работы.

В первой главе рассматривается процесс создания электропоездов с двухступенчатым реостатным пуском и РРТ, и описывается алгоритм работы схемы силовых цепей электропоезда с ЭС ТЭП, обеспечивающей перегруппировку тяговых машин в режиме пуска и рекуперативно-реостатное торможение, (рис.1)

Данная схема обеспечивает как индивидуальную работу вагонов А и Б, так и их совместную работу в режиме сплотки. На рис.1 якори четырех включенных постоянно последовательно ТМ каждого вагона модификации А 'и Б изображены одним якорем ЯА и ЯБ. В цепи межвагонного соединения установлен серийный разъем, используемый в схемах электроснабжения пассажирских вагонов от локомотива. Пуско-тормозные резисторы (ПТР) на обоих вагонах разделены на две группы, регулирование сопротивлений которых производится штатным РК. Контакторы тормозного переключателя изображены в положении «тяга». Обмотки возбуждения изображены в режиме независимого возбуждения (НВ), хотя в тяге, как и на серийных поездах используется

последовательное возбуждение с штатными устройствами ослабления поля (ОП).

Рис.1. Принципиальная электрическая схема силовых цепей

В индивидуальном режиме работы обоих вагонов постоянно разомкнут контактор М и в тяге замкнуты контакторы Ж и ЖТ. Ток якорей регулируется в начале изменением сопротивлений обеих групп сопротивлений Ш и Я2, а затем используется ОП. При рекуперации контакторы ЖТ разомкнуты и ток якоря течет по диодам VI) 1 и УБ2 на вагоне А и по диоду У01 на вагоне Б. Замещающее реостатное торможение включается замыканием контакторов ЖТ.

В режиме сплотки при пуске замкнуты контакторы Ж и М, тяговые машины включены последовательно, а ток якорей ЯА и ЯБ вагонов А и Б вначале регулируется поочередным изменением сопротивлений резисторов Ш обоих моторных вагонов, что удваивает число ступеней регулирования силы тяги по сравнению с серийными вагонами, а затем - поочередным выключением на каждом вагоне сплотки 1-й, 3-й, и 5-й ступеней ОП.

Переключение схемы в режим электрического торможения

осуществляется с помощью тормозного переключателя ТП, контакторы которого меняют положения на обратное.

В режиме тяги после выхода на безреостатную характеристику последовательной группировки (при полностью выключенных сопротивлениях резисторов Я1) возможны два алгоритма продолжения пуска: в первом, производится перегруппировка ТМ; во втором, разработанном МЭИ, алгоритме после выхода на автоматическую характеристику последовательной группировки перегруппировка не производится, а продолжается пуск на последовательной группировке путем ослабления поля ТМ, причем возможны два алгоритма этого процесса. В первом уставка реле ускорения остается неизменной и включение очередной ступени ослабления поля производится при уменьшении тока якорей до той же величины, что и в процессе реостатного пуска. При этом из-за уменьшения с ростом скорости движения тока возбуждения происходит снижение силы тяги.

Во втором алгоритме в процессе ослабления поля увеличивается уставка тока якоря. В этом случае рост тока якоря может компенсировать уменьшение тока возбуждения и сила тяги остается постоянной. В этом состоит его преимущество.

В режиме торможения после перегруппировки возможны три алгоритма реализации рекуперативного торможения на последовательной группировке. В первом - непосредственно после перегруппировки производится выключение сопротивления резисторов Ш при хронометрическом вращении РК. Во втором алгоритме выключение очередных ступеней балластных резисторов Ш происходит при увеличении тока возбуждения до заданного максимального значения. В третьем алгоритме выключение очередных ступеней балластных резисторов Ш происходит при хронометрическом вращении РК, но при этом ток якоря увеличивается до заданного максимального значения, которое зависит от величины сопротивления балластного резистора.

Далее в главе приводятся обычно используемые методики расчета пуско-тормозных диаграмм с мгновенным изменением токов якорей ТМ при выключении ступеней пуско-тормозных резисторов и расчета по ним тяговых и тормозных характеристик ЭП с упрощенным учетом магнитных и механических потерь коэффициентом 0.95, а также - построения кривых движения и расчета расхода электроэнергии. Результаты выполненных по упрощенным методикам расчетов приведены в таблице 1, из которой следует, что расход энергии на тягу на эквивалентном перегоне длиной 3 км при технической скорости 55 км/ч поезда ЭР2С с ЭС ТЭП на 36.7% меньше, чем у серийного ЭР2Т. Критерием достоверности этого результата могут быть только экспериментальные данные. Наиболее точные и достоверные данные получены в контрольных тягово-энергетических

испытаниях поезда ЭР2Т-7166 на кольце ВНИИЖТ, выполненных высококвалифицированными специалистами с использованием специального измерительного комплекса. Их результаты приведены в таблице 2.

Таблица 1

2 А, Вт-ч А,., Вт-ч Ар, Вт-ч Апр, Вт-ч У„В, км/ч Унт, км/ч

ЭР2С 5835.9 8408.6 2572.8 577.1 69.8 57.01

ЭР2Т 9223.9 9723.9 500 1727.0 69.9 54.05

Где Унв - скорость перехода на выбег, Ущ- - скорость начала торможения.

Таблица 2

£А, Вт-ч Ат, Вт-ч Ар, Вт-ч Апр, Вт-ч Уцц, км/ч Унт, км/ч

ЭР2С 6100 8950 2850 445 71.6 56.2

ЭР2Т 8850 9950 1150 1520 71.2 55.1

Из опытных данных следует, что экономия энергии поездом с ЭС ТЭП составляет 31%, т.е. меньше расчетной почти на 6%. При бесспорном сокращении расхода энергии на 30% такое расхождение не влияет на принципиальную оценку энергетической эффективности ЭС ТЭМ, но для решения вопросов о целесообразности и экономической эффективности использования тех или иных усовершенствований ЭС ТЭП желательно иметь более точные данные о достигаемой экономии энергии. Этим определяется актуальность выполненных в диссертации исследований по уточнению тягово-энергетических расчетов.

Во второй главе исследуется влияние реальных процессов изменения тока и способа учета потерь на пуско-тормозные диаграммы.

Схема замещения тяговой машины при последовательном возбуждении для расчета пусковой диаграммы с учетом вихревых токов и индуктивности тяговой цепи представлена на рис.2.

и.

у—ч ^ря

_/УТ\

Э-

Ьщ Я]

ш

Я,

■ВТ

1..... 1

&ГМ 1— _1 Ьо2

1 1

Рис.2. Схема замещения тяговой машины при последовательном возбуждении для расчета пусковой диаграммы с учетом вихревых токов и индуктивности тяговой цепи.

О).

Для этой схемы составляется система дифференциальных уравнений «И,

*

■ + Яов • 1в +

Рн

1Я = 1В +1ш,

к ВТ 1цт = Ь

ш , р т

Дщ А

(1)

<Дц ■" Л '

Система дифференциальных уравнений (1) решается с помощью ЭВМ при использовании метода Рунге-Кутга четвертого порядка.

Выполненные с использованием уточненных пуско-тормозных диаграмм, построенных с использованием системы (1) и с учетом ускорений и замедлений поезда, расчеты энергетических показателей поезда с ЭС ТЭП дали приведенные в таблице 3 результаты. Их сравнение

п

и

с данными таблицы 1 показывает не большое, на 0.926%, уменьшение расхода энергии, что объясняется уменьшением приращений токов якорей в процессе их регулирования. При этом отличие от опытных данных увеличилось с 4.3% до 5.2%. Следовательно, уточнение расчета пуско-тормозных диаграмм не дает существенного приближения расчетных данных к опытным. Поэтому возникает необходимость оценки влияния на энергетические показатели ТЭП методики учета потерь в нем, в частности способа учета магнитных и механических потерь.

Таблица 3

ЕА, Вт-ч Aj., Вт-ч Ар, Вт-ч Адр, Вт-ч Vhb, км/ч VHT, км/ч

опыт 6100 8950 2850 445 71.6 56.2

расчет 5782.2 8373.8 2591.5 577.1 71.0 56.0

Некоторая часть подведенной к тяговой машине энергии неизбежно теряется в самой машине и редукторе. Потери в электрических машинах подразделяют на основные и добавочные. Основные потери, подразделяющиеся на механические, электрические и магнитные,

возникают в результате происходящих в электромагнитных и механических процессов, обусловлены различными вторичными явлениями.

Таким образом, потери мощности АР определяются как сумма потерь:

г+АРзп,Вт,

ДР = ДРЭ + ДРСТ +ЛР-ПЦ +АРП0ДШ + АР,

веет 1

машине основных Добавочные потери

в тяговом приводе

(2)

где АРЗП - потери в зубчатой передаче, которые определялись двумя способами.

По полученным данным рассчитывается сила тяги (знак "-") и сила

торможения (знак"+") по формуле:

3.6 • (АРСТ + &> + ДРпопш + ДРвент + ДР,п) Р = 3.6 • СФ • 1Я ±-—----—-тс.(3)

Далее, для более точного сравнения расчетных показателей с опытными, был произведен пересчет характеристик по формулам (2) и (3) на новое напряжение, меняющееся в зависимости от ступени пускового реостата и степени ослабления поля. Полученные в результате расчета зависимости I(t) для режимов тяги и рекуперативно-реостатного торможения представлены на рис.3 и 4 соответственно. Они принципиально не отличаются от опытных.

Лш

"Ток якоря, расчет 'Ток возбуждения, расчет 1 Ток в обмотке ИШ, расчет *™"Ток якоря, опыт ** Ток возбуждения, опыт__"—»Вихревой ток, расчет

PhcJ. Пряксс юмешшш той» в реяюк тяга

"■""Тек якоря, расчет *~*~Опыгаые данные, ток якоря

* '" Ток возбужрепм, растет ■ —ОпшвнедаияьВ/ТОквазбущпЕния

Рис.4. Процесс юмаяи» ищи в рюиме тормгштия

Если учитывать все составляющие потерь в ТЭП, процент отличия . итогового расхода энергии (А^-Ар) составляет около 7.5% по сравнению с опытными данным. Если принять коэффициент, учитывающий магнитные и механические потери постоянным и равным 0.95, то процент различия также составляет 7.5%. Поскольку нет достоверных данных о потерях в

зубчатой передаче и в связи со сложностью их расчета, нет необходимости учитывать все составляющие потерь энергии в тяговом электроприводе, т.е. механические и магнитные потери можно учитывать постоянным коэффициентом. Принимая различные значения коэффициента, учитывающего магнитные и механические потери, находим его оптимальное значение, при котором расчетное количество потребляемой поездом энергии с учетом рекуперации незначительно отличается от реального. Наиболее оптимальным оказался вариант, когда коэффициент, учитывающий магнитные и механические потери оставался постоянным и • равным 0.975. При этом во внимание принималось то, что при данном

коэффициенте процент потерь приходящихся на потери в зубчатой ^ передаче составляет порядка 1.5% и вряд ли может быть меньше.

Получаемые при 'Пмех+магн=0-9,75 незначительные отличия в расходах энергии, полученных при испытаниях и расчетным путем, могут наблюдаться вследствие того, что испытания производились на кольце, а в расчете не учитывалось то, что сопротивление движению в кривой может изменяться в зависимости от состояния смазки рельсов, из-за которого могут возникать микробоксования и микроюз (чтобы уменьшить сопротивление движению в кривой на современных железных дорогах применяют специальные смазыватели). Кроме того, на сопротивление движению значительно влияют погодные условия (ветер, влажность и т.д.). На различия в расходе энергии также оказывают влияние внутренние сопротивления ТМ и И1И, которые изменяются в зависимости от степени нагрева обмоток, разброс нагрузочных характеристик, отличия диаметров бандажей колес.

В третьей главе рассмотрены возможности устранения так называемых «провалов» сил тяги и торможения в процессах перегруппировок тяговых машин, которые ухудшают динамику поезда и « должны приводить к увеличению расхода энергии.

Поддержание постоянства силы тяги в режиме ослабления поля может быть достигнуто либо за счет использования хронометрического ^ вращения реостатного контроллера, либо за счет корректирования уставки

тока якорей для каждой последующей ступени ослабления поля исходя из поддержания неизменной силы тяги обоих вагонов, то есть - средней силы тяги сплотки.

Наиболее выгодным по энергетическим показателям способом поддержания силы тяги постоянной является способ, когда уставка тока якоря рассчитывается исходя из постоянства средней силы тяги сплотки. (рис.5)

I, А

600 500 - 1 1

(V К к ? $ __1

300 ООО 100 0 || 1 < 4 Ш ч 6 р и м ЧГ » ы Пч*ч

г к 1 г % 1 1 А 1 I

« £ г ? ь 1 г X, ""-о.

•»•«Ачг 1

_) V, км/ч

мПуск с провалом сита тяги,токяксря *вмез*Посгмшс1»о фецвей сяш тяг*, то* яксря

^^Пуск с провалом саш тяги, ток возбуящешм *^^Посгаянотофадейсиш тяги, ток вмвуяиения

Рмс.5. Уп|аияк вршш снвд тятя и торншяш Зоишиоаь 1(У)

В режиме рекуперативного торможения устранение падения тормозной силы на последовательной группировке тяговых машин может быть достигнуто при сохранении хронометрического вращения реостатного контроллера после перегруппировки тяговых машин и, с уменьшением тока возбуждения, но с увеличением уставки тока по мере снижения скорости движения, (рис.6).

гЩ

1 1Л ■ 4

',« 1 н ? V—М- * 1* 1 4 1. ч. 14» § У« г ■ч

* | • ^ N к?» 'V

■ У,юЛ

"Торможение с провалом тормозной силы, ток якоря - Торможение с провалом тормозной силы, ток возбуждения 'Увеличение уставки тока якоря, ток якоря "'•Увеличение уставки тока якоря, ток возбуждения

Рис6,Усгранеяме провалов сил тяги я тормаяеевяя. Зявхсшшггь 1(У)

В результате расчетов было получено, что поддержание постоянства сил тяги и торможения не только улучшает динамические показатели ЭП, но и дает экономию энергии до 2.5%.

Кроме того, относительно медленная работа реостатного контроллера, обусловленная принудительной задержкой времени включения очередной ступени на 0.5 с целью исключения проскока позиции, увеличивает потери энергии в пуско-тормозных резисторах в процессах перегруппировок тяговых машин, что делает актуальной задачу оценки эффективности и целесообразности использования ускорения работы реостатного контроллера.

В работе оценена энергетическая эффективность уменьшения I принудительной задержки времени перевода РК на одну позицию с 0.5 с

до 0.1 с во всех режимах, когда оно не определяется работой реле ускорения и торможения.

Расчеты показали, что наиболее оптимальным является вариант, при котором ступени сопротивления пускового реостата и балластного резистора выводятся через 0.2 с. При этом уменьшаются потери в пуско-тормозных реостатах в режимах тяги и торможения. Также уменьшается количество потребляемой энергии и увеличивается возврат энергии в сеть, экономия энергии в данном случае составила 8.9%.

Увеличение уставки тока якоря и одновременное уменьшение времени срабатывания реостатного контроллера позволяют не только улучшить динамику электропоезда, но и добиться сокращения расхода энергии на 7%, а также уменьшения потерь в балластном резисторе на 19.7%.

Далее в работе исследовалась эффективность работы тягового электропривода на безреостатной позиции с ослаблением поля 0.229, которая делает возможным рационализацию режима движения по Р длинным перегонам и реализацию на них движения с усредненной

скоростью. При движении по длинному перегону поезд разгоняется до определенной скорости на четвертой позиции контроллера машиниста, •I далее осуществляется переход в режим выбега. В определенный момент

времени повторно включается тяга, но на серийном поезде неизбежно больше реостатные потери и выше ускорение, а на поезде с ЭС ТЭП на первой позиции контроллера машиниста реостатные потери малы и разгон на сериесной группировке тяговых двигателей в режиме ослабления поля происходит менее интенсивно, что позволяет более эффективно использовать режим усредненной скорости.

В диссертации оценивалась зависимость экономии энергии от количества подтягиваний на 7 км перегоне. При применении нескольких подтягиваний общий расход энергии с учетом рекуперации сокращается на 2-3%. Поэтому, задаваясь определенным количеством повторных

включений тяги, можно добиться снижения расхода энергии на длинных перегонах.

Кроме того, в работе рассматривалась возможность исключения индуктивного шунта из цепи обмотки якоря в режиме рекуперативного торможения для устранения его тепловой перегрузки вследствии утяжеления режима работы в схеме ЭС ТЭП.

Кроме того, исключение из цепи тормозного тока индуктивных шунтов имеет три дополнительных достоинства: резко уменьшается их тепловая нагрузка по отношению к имеющейся на серийных электропоездах, уменьшаются потери энергии рекуперации и упрощается схема силовых цепей вагона благодаря исключения из нее коммутирующей аппаратуры, необходимой для переключения индуктивного шунта из цепи резистора ослабления поля в режиме тяги в цепь тормозного тока. Очевидно, что критерием эффективности использования в качестве токоограничивающего реактора индуктивного шунта является достигаемое при этом уменьшение приращения тока якорей при скачкообразном уменьшении напряжения в контактной сети.

Расчеты переходных процессов при скачках напряжения в контактной сети выполнены с использованием схемы замещения тяговой машины, приведенной на рис.7.

1ов

Ков

и,

ов1

Я,

ВТ

Ь,

ов

Ьо2

и,

Г

Ьго

1я

Я-

тм

<я>

^ря

^тм

Рис.7. Схема замещения тяговой машины при независимом возбуждении тяговых машин.

' • По схеме замещения составляем систему дифференциальных

уравнении для расчета переходных процессов:

и • • .1 * " + Л тм 1 я + ь то

•+ Ь

п

в = ЬС1

тм

Дя

&

<ив + я "а- 08 '

I ~ 1 я ^ ря ,

— + Я то • 1я ,

и +

вг

Ф = Г(Ря ), 'в = 1 ц. + ' вт 1Я = 1в + 1ш,

Л

Полученные расчетные результаты показывают, что как при отсутствии, так и при наличии в цепи тормозного тока индуктивного шунта ток якорей при скачке напряжения вниз на 750 В в режиме рекуперации превышает уставку контаетора КЗ. Известно, что время его срабатывания составляет порядка 15 мс, причем он реагирует как на величину, так и на производную тока. Результаты расчета переходного процесса при параллельном соединении групп ТМ, выполненные в предположении, что КЗ срабатывает одновременно со скачком напряжения, приведены на рис.8. Реально время срабатывания КЗ будет несколько большим, но даже при отсутствии индуктивного шунта ток якорей не превысит «нормативною величину тока», составляющую 1500 А и считающуюся неопасной для ТМ.

1Л 2000»-----

■Ток якоря 1а, А при отсутствии токоограничивающего реактора 'Ток якоря Ьг, А при наличии токоограничивающего реактора -Ток возбуждения 1«, А -Напряжение возбувдения "" Ток якоря 1я, А при отсутствии токоограничивающего реактора, срабатывание КЗ Рис 8 Переходной процесс при скачке напряжения контактов сети в режиме рекуперации Параллельное соединепие ТМ, км/ч форсировка возбуящепия не производится.

К

Таким образом, было установлено, что по условиям ограничения приращений тока при скачках напряжения в контактной сети в режиме рекуперации можно считать допустимым исключение индуктивного шунта из цепи тормозного тока.

Заключение.

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

1. Показано, что традиционные методики расчета пуско-тормозных 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 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 при повторных включениях 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.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Перевалова М.В., Тулупов В. Д. Совершенствование энергосберегающей системы тягового электропривода постоянного тока //

Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов 1 - 2 марта 2000 г. - М. МЭИ, 2000. - С . 134-135.

2. Эффективность использования энергосберегающей системы тягового электропривода поездов постоянного тока / Тулупов В.Д., Кирюхин Ю.А., Перевалова М.В. и др. // Энергосбережение, качество электроэнергии, электромагнитная совместимость на железнодорожном транспорте: Тез. докл. Второй Международный симпозиум 21-22 марта 2000. - М. МИИТ, 2000. - С. 75-79.

3. Эффективность энергосберегающей системы тягового электропривода электропоездов и перспективы расширения ее использования и совершенствования / Тулупов В.Д., Кирюхин Ю.А., Перевалова М.В. и др. // Состояние и перспективы развития

] электроподвижного состава: Тез. докл. Ш Международная научно-

техническая конференция 27 - 29 июня 2000 г. - Новочеркасск, 2000. - С. 35-37.

4. Перевалова М.В., Тулупов В.Д. Оптимизация алгоритмов управления и режимов работы электропоездов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов 27 - 28 февраля 2001 г., М. МЭИ, 2001.-С. 170-171.

5. Энергосберегающая система тягового электропривода постоянного тока с наилучшими технико-экономическими и эксплуатационными показателями / Тулупов В.Д., Кирюхин Ю.А., Перевалова М.В. и др.// Транспортный электропривод - 2001: Тез. докл. научно-практическая конференция. - С.-Пт. АО «Электросила», 2001. - С. 25-26.

6. Перевалова М.В., Тулупов В.Д. Оценка эффективности уточнения методики расчета пуско-тормозных диаграмм электропоездов и совершенствование алгоритмов управления режимами их работы // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов 28 февраля - 1 марта 2002 г. - М. МЭИ, 2002. - Т. 2 - С. 129-130.

7. Перевалова М.В., Тулупов В.Д., Уточненный метод расчета пуско-тормозных диаграмм электропоездов постоянного тока //

V Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл.

Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов 4-5 марта 2003 г. - М. МЭИ, 2003. - С. 154-155.

8. Основные результаты создания и 5.5 лет эксплуатации электропоезда с энергосберегающей системой тягового электропривода / Тулупов В.Д., Кирюхин Ю.А., Перевалова М.В. и др. // Состояние и перспективы развития электроподвижного состава: Тез. докл. IV Международная научно-техническая конференция 17-19 июня 2003 г. -Новочеркасск, 2003. - С. 48-50.

9. Возможности резкого улучшения энергетических показателей электропоездов / Тулупов В.Д., Кирюхин Ю.А., Перевалова М.В. и др. // Железнодорожный транспорт. - 2003. - № 6. - С. 45-51.

2 осэз

№15 319

Подписано в печать Д?/. ¿&ак. Щ^.Шш, Ш Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

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

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.

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.

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.