автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Энергозатраты электропоездов метро при различных системах управления движением и обоснование возможностей энергосбережения

МПС РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

(МИИТ)

ЭНЕРГОЗАТРАТЫ ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ МЕТРО ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ И ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 Электротехнические комплексы и системы,

включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1997

Работа выполнена на кафедре " Электрическая тяга " Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ).

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

Феоктистов Валерий Павлович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Калиниченко Анатолий Яковлевич - кандидат технических наук, доцент Максимов Владислав Михайлович

Ведущая организация - Служба подвижного состава Московского Метрополитена

Защита состоится "_"_ 1997 г., в_часов, на заседании

диссертационного совета Д114.05.07 в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу : 101475, Москва, ул. Образцова, 15, в ауд. №_.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "_"_ 1997 г.

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета ^С.П.Власов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы определяется тем, что для метрополитена значительна доля расходов на электроэнергию в общем балансе расходов на эксплуатацию подвижного состава. Энергозатраты быстро возрастают при росте средней скорости, особенно в условиях малых межпоездных интервалов, т.е. при предельном использовании пропускной способности.

другой стороны, в метрополитене достигнута высокая степень автоматизации управления движением электропоезда, что позволяет реализовать оптимальные по энергозатратам диаграммы движения. Обновление парка подвижного состава метро и ввод в эксплуатацию моторных вагонов с тиристорным регулированием требует уточнения принципов реализации оптимальных диаграмм движения для нового подвижного состава с безреостатным пуском и рекуперативным торможением.

Цель работы состоит в уточнении оптимальных по энергозатратам диаграмм движения электропоезда в условиях коротких перегонах с учетом особенностей плавного регулирования тяговых электроприводов при помощи тиристорных преобразователей. При решении этой задачи необходимо также учесть взаимное влияние поездов через систему интервального регулирования в максимально плотном графике движения.

Методы исследования включают выполнение тягово-энергетических расчетов по вариантам диаграмм движения с вариацией технической скорости. Для этого предложен метод аналитического решения уравнения движения поезда на базе аппроксимации всех входящих в это уравнение нелинейных функций. Обоснование оптимальности базовых 3-фазных и 4-фазных диаграмм движения с максимально возможными уровнями

ускорения и замедления поезда выполнено на основе вариационного исчисления и методом максимума Понтрягина.

Научная новизна состоит в следующем:

- обоснованы сферы рационального применения диаграмм движения электропоездов с фазой выбега и с фазой стабилизации скорости, а также комбинированных диаграмм;

- предложен способ аналитического решения уравнения движения поезда методом разделения переменных применительно к диаграммам движения, характерным для поездов метро; на этой базе обоснован метод тягово-энергетического расчета для электропоезда в условиях коротких перегонов.

Практическая ценность работы определяется возможностью использования ее результатов при разработке алгоритмов автоведения поездов метро. Полученные результаты предполагается использовать в процессе проектирования метрополитена в г. ХОШИМИН (Вьетнам), в частности для определения размеров энергопотребления при заданном графике движения.

Апробация работы выполнена путем обсуждения полученных результатов на следующих научных семинарах и конференциях:

Международный симпозиум "Безопасность перевозочных процессов" Москва, МИИТ, 1995;

Вторая международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта" (симпозиум №6), Москва, МИИТ, 1996;

- Научно-технический семинар кафедры "Электрическая тяга" МИИТа, 1997.

Публикация: Основные положения диссертации опубликованы в двух шчатных работах.

Структура работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, включения, списка использованной литературы, приложение. Она :одержит 135 с. машинописного текста, 5 таблиц, 55 рисунков, ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отмечено быстро возрастающее знамение метрополитенов для крупных городах мира. Однако, доля расходов на лектроэнергию и удельное энергопотребление для метрополитенов имеют енденцию к росту, что требует детального исследования процессов лектропотребления.

В первой главе выполнен краткий обзор метрополитенов мира, ¡ключая применяемые системы автоведения и реализуемые ими диаграммы цшжения. Эти данные использованы в процессе решения задачи по юоенованию возможностей энергосбережения для проектируемого в шетоящее время метрополитена г. ХОШИМИН (Вьетнам). Население того города превышает 3 млн. человек, а протяженность первых двух апроектированных линий метро с номинальным напряжением 1200В оставляет 81 км при общем количестве станций 50, прогнозируемом тссажиропотоке 15 тыс. чел./час. На начальном этапе работы (етрополитена предполагается использовать 6-вагонные электропоезда фи интервале попутного следования 3 мин.

Анализ эксплуатируемых в метрополитенах мира поездов показал, [то среди них нужно выделить электропоезда традиционного типа с юостатным пуском тяговых двигателей и реостатным торможением, а акже более совершенные электропоезда с безреостатным пуском и

рекуперативным торможением (рис.1). Последние характеризуются боле! низкими энергозатратами. Поэтому за базу исследования приня-конкретный электропоезд с тяговыми электродвигателями типа ДК117 оборудованный системой импульсного регулирования. Эта систем; обеспечивает безреостатный пуск и рекуперативное торможение п< предельным характеристикам использования тягового двигателя.

Для дальнейшего рассмотрения приняты два основного тип; диаграмм движения электропоезд - с фазой выбега и с фазой стабилизацш скорости. Применительно к ним исследованы энергозатраты пр! варьировании скорости и длины перегона. Энергобаланс поезда метре приведен на рис.2.

Во второй главе обоснован аналитический метод интегрировани: уравнения движения поезда по этапам пусковой диаграммы (рис.3)

<н

причем для основного сопротивления движению приняты линейна; или квадратичная зависимости:

\уо = 0.75 + 0.15У

\у0 = 2.5149 + 0.016У + 0.00136У2

Сила тяги ("(У) аппроксимируется по этапам пусковой диаграммь электропоезда следующим образом:

- этап I с постепенным нарастанием силы тяги линейно в функцш времени;

- этап II со стабилизацией силы тяги, что соответствует постепенному повышению напряжения на двигателях при полном поле;

- этап III, когда двигатели работают при номинальном напряжении <

Рис.I.Классификация тяговых электроприводов вагонов метро

сн

(8-12%)

ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ

(18 - 22%)

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

--------------- ТОРМОЗНЫЕ

МЕХАНИЧЕСКИЕ

+750В

Т

ПОЛЕЗНАЯ МЕХАНИЧЕСКАЯ РАБОТА (45-62%)

ВОЗВРАТ РЕКУПЕРАЦИИ (16 - 21%)

Рис.2. Энергобаланс поезда метро при движении по перегону

постепенным ослаблением возбуждения. При этом сила тяги снижается линейно в функции скорости;

- этап IV соответствует работе двигателей по естественно! характеристике при номинальном напряжении и предельном ослабленир возбуждения. Сила тяги в функции скорости меняется в соответствии < квадратичной зависимостью.

Результаты аналитического решения уравнения движения поезда пс указанным этапам I-IV представлены в табл. 1, где даны также выражения для расчета энергозатрат Э по указанным этапам.

Аналогичным образом рассчитываются энергозатраты на этапе стабилизации скорости, а также возврат энергии при рекуперативном торможении, где также имеют место этапы I-IV, но в обратной последовательности.

В третьей главе материал посвящен расчету и анализу энергетических соотношений для базового электропоезда с тиристорно-импульсным регулированием на перегонах длиной 400-1700м при варьировании следующими параметрами:

- тип диаграммы движения (трехфазная с фазой выбега В или стабилизации скорости СС (рис.4), 4-фазная с комбинацией указанных фаз СС-В);

- максимальная скорость, при которой отключают тяговые двигатели в диаграмме типа В или стабилизуют скорость движения поезда в диаграмме типа СС;

- загрузка вагонов пассажирами варьировалась в пределах от нуля до предельно допустимой (0-25т);

Таблица 1

РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДА ПО ЭТАПАМ 1-1V

Этап

Уравнения скорости, пути и расхода энергии

с!У

ае

— = - шо) + аг => V = |[(Г0 -\у0) + а1]ск => V = (fo-wo)t +

где: , \Уо - удельные сила тяги и основное сопротивление движению

8 = |Уск => S = (f0-w0)^ + ^

I о

Э = |рУё1 = |тр(Г0 + аг)[(Г0 -\у0) + ^-]СЙ Э =

т,

I Об

II

У= У +

1-е

где: w(v) = ао + а.\ V ; Г(у) = Г = сош1

8 = 8,+

Vя. а,2 у

а,

-а,У,

+ -(У,-У) а,

Продолжение таблицы 1

III

IV

где: w(v) = ао + а)У

[(V) = а - ЬУ

(у ь 1 -12.+ 1Ц.

Л Ь^

8 = 8, +

Э = Э2+^(а + р^)1п о, о.

Ьр+Ь,Уг

Ь„ + Ь,У

2Ь, Ь, Ь,

РУ3сО50.5Р(1-13) + (2Ь0 +Ь,У3)5т0.5Р(г-1з) Рсов0.5Р(1-1,)-(2Ь1У, +Ь,)яп0.5Р(1-1,)

где: = ао + V ; = а + рУ + уУ* ; Ьо = (а-ао) ; Ь| = (МО ; Ьг = у ; Р = ^4Ь0Ьг-Ь,:

ы

8 = 8,-— 1п 3 Ь,

соз0.5Р(1 —13>— 2ЬгУз+Ь| яп 0.5Р(1 - ц)

Э =Э, + А.1п

Ь„+Ь,У + Ь,У2

ъ0+ък+ъх

Р

Р ьг -у Ь,

ь,2

2Ь

-(1-1,)

^-Уз) + ^-(У2-Уз2) 2Ь,

-B.acrtg

2РЬ2(У-У3)

Р: + Ь,2 +2Ь,Ь2У, + 2Ь,Ь2У + 4Ь22У3У

А = __Р Ь, +у Ь0 | у Ь, .

2Ь2 2Ь22 2Ь23'

где: в = "

Ь±_р(Ь, -2Ь„Ь,)+у Ь0Ь, + уЬ,(Ь, -2ЬД) РЬ, РЬ,2 РЬ '

В - Выбег

Рис.4. Диаграмма зависимости У(Б) и ЦБ) с фазой выбега В и с фазой стабилизации скорости СС

- напряжение на фидерах подстанции принималось равные номинальному Ш, но отдельные расчеты выполнены для напряжений и! ±13.5%;

- к.п.д. тягового электропривода вагона в режиме стабилизации скорости, т.е. при малой нагрузке, принимался по паспортным данны\ электрооборудования в функции тягового тока и скорости;

Все расчеты выполнялись для вариантов рекуперативного 1 реостатного торможения. Выполнена оценка затрат электрической энергии

Э = и|1(У)ск, и

где 1(У) - ток, потребляемым вагоном из тяговой сети;

1аДб - время отправления со станции А и время прибытия на станцию Б.

Оценка результатов моделирования (рис.5) позволяет сделать такж выводы в части выбора диаграммы движения:

- обычно режим СС является более экономичным, чем режим В, прр том же перегонном времени хода; тенденция к выгодности режима СС усиливается с ростом скорости и длины перегона;

- дальнейшее совершенствование тяговых электроприводов, особеннс в части повышения их к.п.д.. также усиливает тенденцию к выгодности режима СС;

- экономичность режима СС определяется также величиног квадратичного члена в формуле основного сопротивления движению поэтому в условиях тоннеля может оказаться более выгодным режим СС, г на открытой трассе режим В;

- режим СС также более выгоден по условию обеспечения

V Вес поезда = 1г\

К-.п.д. вагона

напряжение на токоприемнике

1

0.75 0.5 0.25

^ Двигатели пост, тока с ИР

} Тонеяь | Открытая трасса

ТП, -г- + + ГЦ. 1

| *—х—»-Т —>-

-*-—

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1001 10

Рекуперативное торможение

эр = э,+э2-э3

и,В

850 800 750700650 -

V

50 " 100 150 " 5,М 850В 750В 650В

■АХ

х Рис.5.Учет дополнительных факторов

0 1,т!П

минимального интервала попутного следования в координатной системе интервального регулирования (АРС) и по фактору износа подвижного состава и пути.

Таким образом, для рассматриваемого и перспективного подвижного состава с плавным регулированием, в том числе и для вагонов с бесколлекторными тяговыми двигателями, следует предусматривать в системе автоведения режим СС. По сравнению с режимом В это обеспечивает в метрополитене г. ХОШИМИН экономию электроэнергии 4-5.5%.

В четвертой главе содержится теоретическое обоснование оптимальных режимов вождения поездов метро при заданном времени хода. Эта задача может быть решена методами вариационного исчисления, которые достаточно хорошо отработаны для тяговых электроприводов. Более общее решение получено с помощью теории исследования функционала, предложенной В.Ф. Кротовым, и принципа максимума Л.С. Понтрягина. Условия оптимума получены с помощью вспомогательной вектор-функции для случаев непрерывного и дискретного регулирования силы тяги.

Рассмотрим систему из двух дифференциальных уравнений движения поезда, решенных относительно производных пути S и скорости V:

* Р

-w0(V)-w,(S)--

dt s

\P-i-Q 04 ' яч 7 Р + <} где Р - вес вагона метрополитена; <3 - вес пассажиров;

\уо(У) - удельное основное сопротивление движению поезда;

\Уд(8) - удельное дополнительное сопротивление движению от уклонов и кривых,

г е

величина С, =

1 + у

где е - коэффициент, учитывающий размерности переменных, заданных в единицах, не соответствующих СИ; у - коэффициент инерции вращающихся масс. Уравнение (1) можно записать как:

~ = (V) - 1у,(У) - \ул(Б) - и2Ьт(У)]

(2)

где 0<и. =■

¿1

0<Ц, =:

В.

<1

Р (V) 2 В (V)

та* V * / тшах V /

1 хритерий оптимальности имеет вид:

.(V л V) ^де к - неопределенный множитель Лагранжа.

Получим необходимые условия оптимальности траектории объекта 2) с критерием (3). Для этого запишем гамильтониан в виде

И = ц/

I. П V.

+ ц/, ^-¡иДУ) - - - и2Ьт(У)],

V

•де ^ = (\|/0,\(/1)- вспомогательная вектор-функция, удовлетворяющая :истеме дифференциальных уравнений вида:

(5)

| аБ

= -Ч'с

и,Г(У) х л V2

+- ^к' (V) - (V) - игь; (\о]

Далее, введем обозначение

г т

р = , и перепишем гамильтониан Н в виде

н = _ иДУ) ^ _ } _ 8) _ | (6)

т) V

При фиксированных значениях р, V и 8 величина Н является функцией управляющих воздействий и) и иг. Следовательно, для функции р(Б) можно выделить пять диапазонов с различными оптимальными управляющими воздействиями, обеспечивающими максимум Н: а - если р < 0, то и] = 0, иг = 1 - торможения с максимальным замедлением; б - если р = 0, то III = 0, и2 е [0; 1] - стабилизация торможением; в - если р е [0; 1], то и! = 0, иг = 0 - выбег; г - если р = 1, то ^ е [0;1], иг = 0 - стабилизация скорости; д - если р > 1, то и) = 1, иг = 0 - движение с максимальным ускорением.

Полученные условия фактически сводятся к регулированию по ограничениям, а именно: разгон с максимальным ускорением, движение с ограничением скорости (или выбег), целевое торможение с максимальным замедлением. Таким образом, подтверждаются условия экономичности, определенные ранее расчетным путем,

В пятой главе требования по энергоэкономичности увязаны с условиями соблюдения минимального межпоездного интервала. Рассмотрены две характерные ситуации: движение по перегону и подход к станции (рис.6). Показано, что диаграмма с фазой стабилизации скорости наилучшим образом отвечает требованиям сближения поездов на перегоне. Поэтому для практического применения в системах автоведения рекомендована эта диаграмма движения с выбором параметра ограничения скорости соответственно заданному времени хода.

+ А,

Рис.6. Диаграмма сближения поездов в координатах скоросль V, путь 3 и время Г

20

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Метрополитен является наиболее перспективным видом массовогс городского транспорта, который в полной мере удовлетворяет современным требованиям по провозной способности, скоросп сообщения, экологии. Электропоезда метрополитена должны был выполнены на основе облегченных конструкций кузовов и тележек ( пневмоподвешиванием и тяговым электроприводом на баз( электродвигателей постоянного тока с импульсным регулированием или нг базе асинхронных двигателей с питанием от преобразователя в вид* импульсного регулятора и автономного инвертора. Такие поезда имею" осевую нагрузку до 12т/ось, пусковое ускорение до 1,2м/с2, рекуперативно! торможение во всем диапазоне скоростей. Потери энергии у такого поезд. минимальны и соответствуют среднему к.п.д. 0,85 - 0,88 в цикле движенш от остановки до остановки.

2. Принятая в метрополитене система автоматизации включае: автоведение поезда с решением задачи выбора момента отключенш тяговых двигателей и задачи целевого торможения. Автоведени! оптимизируют по критерию минимума энергозатрат при условш обеспечения заданного графиком движения времени прибытия н; следующую станцию. При этом оптимальному режиму соответствую-трехфазные диаграммы движения поезда двух видов:

- разгон - выбег - торможение;

- разгон - стабилизация скорости - торможение.

Показано, что для традиционных тяговых электроприводов с< ступенчатым регулированием целесообразно использовать диаграмм; первого вида, а при плавном регулировании - диаграмму второго вида.

3. Анализ параметров указанных диаграмм хода электропоезда ыполнен:

- аналитическим методом путем непосредственного интегрирования уравнения движения поезда по характерным интервалам (фазам) движения поезда и участкам тяговой характеристики;

- численным методом Эйлера на ЭВМ.

При этом сформулированы допущения, при которых может быть спользован аналитический метод как более простой. Полученные калитические выражения для диаграммы движения "скорость - путь" озволяют получить значение энергозатрат за цикл движения поезда, что ает возможность использовать аналитический метод для выбора наиболее сономичного режима движения.

4. Сравнение типов диаграмм движения поезда показало, что для грспективных электропоездов с плавным безреостатным регулированием редпочтительной по критериям энергоэкономичности и пропускной юсобности является трехфазная диаграмма с фазой стабилизации сорости. Как по полезной механической работе, так и по общим затратам ¡ектроэнергии она более выгодна, чем диаграмма с фазой выбега. Для шичного перегона метро 1-2км экономия энергозатрат составляет 4-6%.

5. Для условий движения поездов, когда должны быть приняты во шмание локальные ограничения скорости, выбор режима движения шжен выполняться математическими методами, рассмотренным в паве 4 (вариационным исчислением, методом максимума Понтрягина). жомендации по экономичным режимам движения сводятся к :редованик> фаз разгона, стабилизации скорости, выбега и куперативного торможения.

6. Особое значение для метрополитена имеет рекуперативно торможение, поскольку при реостатном торможении тормозные потер достигают 25 - 30 % потребляемой энергии. С учетом к.п./ рекуперативного тормоза может быть возвращено в тяговую сеть до 19-2 % потребляемой энергии для поезда с тяговыми двигателями постоянног тока при импульсным регулировании и до 17-23 % для поезда асинхронными тяговыми двигателями.

7. Экономичность рассмотренных трехфазных диаграмм движени поездов метро обеспечивается в условиях, когда в реальном график движения исключено замедление каждого последующего поезда п условиям координатного сближения с предыдущим. Если нарушаете требование координатного сближения и интервал попутного следовани становится меньше предельно допустимого значения, то это приводит увеличению энергозатрат на 6 - 9 % из-за необходимости дополнительно остановки поезда перед станцией или из-за подтормаживания на перегон«

8. Для метрополитена г. ХОШИМИН с учетом рекомендуемо ходовой диаграммы рассчитаны общие энергозатраты, указанные на рис.7

Основные положения диссертации опубликованы в работах

1. Международный симпозиум "Безопасность перевозочных процессоЕ Москва, МИИТ, 1995;

2. Вторая международная научно-техническая конференция "Актуальнь проблемы развития железнодорожного транспорта" (симпозиум №6 Москва, МИИТ, 1996;

СУТОЧНОЕ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ

ПОКАЗАТЕЛИ

Транспортная работа, млн.т.км 36

Количество поездов на лиши, ед. 42

Количество поездов в парка депо, ед. 64

Маршрутная скорость, км/ч 33

Расход энергии:

- У дельный, Вт.ч/т.км 52

- Полный на поездах, МВт.ч 2016

- Полный на распределительной подстанции, МВт.ч 2312

- Экономия от рекуперации 1 Г/о

шли ш> метрополитену г. ХОШИМИН