автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Пути модернизации и повышения энергетической эффективности электропоездов железных дорог ПНР

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ НА

ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ ПНР.

1.1. Характеристика электрифицированных участков и графиков движения.

1.2. Параметры и характеристики эксплуатируемых электропоездов.

1.3. Задачи исследования и пути их решения

ГЛАВА 2. СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА РАСХОДА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ.

2.1. Сущность цриближенных методов расчета расхода электроэнергии

2.2. Аналитический расчет расхода энергии по составляющим.

ГЛАВА 3. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ДВИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ.

3.1. Принципы статистического анализа.

3.2. Статистическая оценка параметров режимов движения электропоездов

3.3. Характеристика профиля пути.

ГЛАВА 4. ТЕОРЕТИКО-ВЕРОЯТНОСТНЫЙ АНАЛИЗ СОСТАВЛЯЮЩИХ

ЭНЕРГОЗАТРАТ В РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ДВИЖЕНИЯ

4.1. Методика установления параметров законов распределения энергозатрат

4.2. Участок Гливице-Ченстохова.

4.3. Участок Познань-Конин.

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МОДЕРНИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ

5.1. Пути модернизации электропоездов.

5.2. Применение безреостатного пуска и электрического торможения

5.3. Снижение массы тары и повышение вместимости вагонов

5.4. Повышение мощности тяговых двигателей и увеличение их числа в электросекции

ГЛАВА 6. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ВАРИАНТА МОДЕРНИЗАЦИИ

ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ

6.1. Рекомендации по составности электропоездов

6.2. Рекомендации по выбору параметров электрооборудования

6.3. Совершенствование режимов вождения и методов эксплуатации электропоездов с импульсным регулированием.

ВЫВОДЫ.

Протяженность электрифицированных железных дорог мира составляет 167,3 тыс. км [37]. Более чем половина из них (около 55%) электрифицирована по различным системам постоянного тока с напряжением в контактной сети 3000, 1500, а также 600*1200 В. Протяженности участков железных дорог мира, электрифицированных по различным системам постоянного и переменного тока, приведены в табл. I.

Таблица I

Протяженности электрифицированных участков железных дорог мира

Постоянный ток, В 1 Переменный ток, Гц до 1500 1500* 3000 и 60 50 25 16|

4-3000 выше 20 25 KB KB 50 6,6 20 25 50 KB KB KB KB KB II KB II 15 KB KB

8717 19748 60663 км км км S

С\2 Ю z> о со ^ to счг

2 К

СО

00 tO Q>

О ы лг счг о со со

CD со со см СП 00 с\г

89128 км (53,3%)

78I2I км (46,7%)

47207 км (60,4%)

30914км (39,6%)

В Европе, среди систем электрической тяги постоянного тока, преобладающей является система с напряжением в контактной сети 3000 В: по ней электрифицировано 76,98% всей сети постоянного тока. По этой системе работают электрифицированные железные дороги СССР, ЧССР, Италии, Бельгии, Польши, Испании.

Система электрической тяги с напряжением в контактном проводе 1500 В получила большое распространение во Франции, Голландии, Дании. Она охватывает 14,12% дорог, электрифицированных на постоянном токе.

По системе 600-5-1200 В постоянного тока, несмотря на большую динамику ее развития в последние годы, в частности, за счет метрополитенов и городских железных дорог, электрифицировано лишь 9,06% железнодорожных линий в Европе (Южный Округ Британских железных дорог, отдельные линии в Швейцарии).

На постоянном токе с напряжением в контактной сети 3000 В электрифицировано 65% из 4400 км всей длины электрифицированных железных дорог Советского Союза. В Польше применяется исключительно система постоянного тока с напряжением в контактном проводе 3000 В; длина электрифицированных линий достигла в конце 1983 года 7828 км, т.е. 32,1% всей протяженности железных дорог страны [44]. Эти линии выполняют 65% грузооборота [45].

Перспективы развития систем электрической тяги постоянного тока при существующем энергообеспечении железных дорог и их техническом оснащении оцределяются главным образом быстрым развитием силовой полупроводниковой техники, в частности, созданием мощных управляемых вентилей - тиристоров £53]. На основе силовой преобразовательной техники могут быть усовершенствованы как тяговые подстанции путем применения выпрямительно-инверторных агрегатов, так и подвижной состав - электровозы и электропоезда. С появлением систем тиристорного регулирования электрического подвижного состава (э.п.с.) постоянного тока появились два принципиальные направления дальнейшего развития этой системы тяги: первое, связанное с модернизацией существующего э.п.с. с коллекторными тяговыми двигателями постоянного тока; второе, основанное на создании э.п.с. с бесколлекторными и, в частности, асинхронными тяговыми двигателями.

Первое направление связано с отказом от доминирующей сейчас на^э.п.с. постоянного тока контакторно-реостатной системы управления и переходом на системы импульсного регулирования. Это обеспечивает следующие преимущества: существенную экономию энергии в пригородном движении электропоездов, работающих с частыми остановками, благодаря устранению реостатного пуска и возможности црименения рекуперативного торможения до низких скоростей (практически до полной остановки); улучшение использования сцепной массы электропоезда вследствие значительного уменьшения колебаний сил тяги и торможения, свойственных ступенчатому регулированию, а также благодаря возможности использования постоянного параллельного включения тяговых двигателей, т.е. уменьшения числа последовательно соединенных двигателей; стабилизацию тяговых характеристик и тяговых свойств э.п.с. за счет стабилизации тока или напряжения преобразователя независимо от колебаний напряжения и перенацряжений в контактной сети; возможность создания системы тяги на постоянном токе при повышенном напряжении сети (например, б кв) за счет возможности непрерывной трансформации напряжения, подведенного к тяговым двигателям; упрощение управления движением электропоездов благодаря плавному в широких пределах регулированию напряжения, подводимого к тяговым двигателям, и отсутствию жесткой связи между напряжением двигателей и контактной сети; облегчение автоматизации процессов пуска и электрического торможения, а также осуществление автоведения поездов, в результате чего улучшается использование пропускной способности и повышается точность соблюдения графика движения; снижение эксплуатационных расходов при применении бесконтактных преобразователей взамен контактных коммутационных аппаратов; повышение эксплуатационной надежности и удобства управления э.п.с. и др.

В существующих системах э.п.с. постоянного тока импульсное управление применяют в основном для регулирования напряжения, подводимого к тяговым двигателям и, как правило, сочетают его с импульсным регулированием тока возбуждения.

Впервые импульсное регулирование напряжения было применено на аккумуляторном э.п.с., где существенное уменьшение удельного расхода энергии на тягу привело к увеличению пробега без подзаряда батарей [is]. В последние же годы все более широкое применение получают системы импульсного регулирования э.п.с. в режимах тяги и электрического торможения, что особенно выгодно для электропоездов пригородного сообщения и метрополитенов [24].

В СССР выпущены опытные образцы электровозов и электропоездов с импульсным регулированием напряжения двигателей, электропоездов метрополитена, вагонов трамвая и троллейбуса, контактно-аккумуляторного э.п.с. В Польше эксплуатируется электропоезд EW 58 с импульсным регулированием режима реостатного торможения; испытания проходит один из электропоездов серии Ш 57, оборудованный импульсным преобразователем производства объединения Шкода (ЧССР).

Однако, несмотря на все преимущества систем импульсного регулирования, их применение на э.п.с. сопровождается некоторыми трудностями.

Массовое практическое применение импульсных преобразователей возможно при условии наличия соответствующей элементной базы, и, прежде всего, силовых тиристоров и диодов. Специфические требования к ним определяются условиями их работы на э.п.с., в том числе действующими нагрузками по току и напряжению [l8]. Пусковой ток цепи тяговых двигателей электропоезда составляет 200-300 А при максимальном напряжении до 1000 В и перенапряжениях до 9000 В. По условиям надежности целесообразной является применяемая в СССР конструкция преобразователя с подвагонным расположений при естественном охлаждении потоком встречного воздуха (электропоезда ЭР 12, ЭР 9Е). С учетом необходимости снижения нагрузки вентиля в режиме естественного охлаждения и цикличности включения преобразователя (пуск 10-15 с, торможение 10-20 с), необходимы вентили на номинальный ток 400-500 А.

При классе вентилей 16-20 приходится соединять их по 5-7 последовательно, что выдвигает задачу учета допусков на их параметры при распределении прямых и обратных напряжений в статическом и динамическом режиме. С этой точки зрения желательно применение вентилей с лавинными характеристиками, обладающих хорошими динамическими свойствами.

Разброс параметров следует учитывать и при расчете контуров искусственной коммутации; при анализе к.п.д. преобразователя; при проектировании защитных устройств. В частности, весьма важным является учет дополнительных потерь энергии как собственно в импульсном преобразователе, так и пульсационных потерь в двигателях. Эта задача тоже решается вероятностными методами.

Опыт практического внедрения систем импульсного регулирования показывает необходимость решения еще двух проблем - мешающего влияния электромагнитных полей на проводные линии связи и рельсовые цепи, а также оценку реальных размеров экономии электроэнергии. Проблему мешающего влияния решают путем установки на электропоездах сглаживающих ЬС-фильтров, причем в перспективе можно будет использовать более совершенные активные фильтры. Детальные исследования этой проблемы, выполненные в ПНР [4б], показывают, что при наличии соответствующих фильтров электропоезда с импульсным регулированием могут быть введены в эксплуатацию без какой-либо реконструкции хозяйства сигнализации и связи.

Целью настоящей работы является определение путей модернизации электропоездов железных дорог ПНР. При этом должна быть разработана методика анализа энергозатрат в режимах движения электропоездов, которые характерны для пригородного и местного сообщения ж.д. ПНР; исследованы возможности модернизации электропоездов на базе применения импульсного регулирования, новых решений в части исполнения систем автоматики и облегчения механической части. На этой основе предполагается выполнить расчеты размеров экономии энергии для различных вариантов модернизации и разработать практические рекомендации по модернизации электропоездов.

Оценка экономии энергии важна потому, что стоимость импульсных преобразователей сравнительно велика и их применение ведет к существенному удорожанию электропоездов. Эта проблема особенно важна для железных жорог ПНР, поскольку ограничение возможности выделения капитальных затрат на модернизацию железнодорожного транспорта и жесткий режим экономии электроэнергии требуют определить очередность введения электропоездов с импульсным регулированием и обосновать оптимальный вариант модернизации эксплуатируемых электропоездов с целью ликвидации имеющих место потерь энергии.

Техническая характеристика электропоездов постоянного тока с испульсным регулированием режимов работы, эксплуатируемых в различных странах, приводится в табл. 2. Там же для сравнения приведены параметры электропоездов ЭР2 и ЭР22 с контакторно-реостатны-ми системами управления.

Таблица 2

Технические характеристики электропоездов постоянного тока ряда стран

Показатели

Серия электропоезда

ЭР 2 ЭР22;ЭР22В ЭР 12 ЭР 200 BR 270 ALe804 9000

9000

Страна

СССР

Напряжение контактной сети, В

Год выпуска

Число вагонов в поезде

Композиция состава

Длина состава, м

Масса моторного вагона, т

Масса прицепного вагона, т

Масса прицепного головного вагона, т

Число мест для сидения 1056

Общее число мест 3000

3000 1962

10

IL+5М+ +ЗП+Пу

200,5 54,6

38,3 40,9

Мощность, кВт(ч)

4000

СССР

СССР

СССР

ГДР Италия Япония Бразилия изг. Франция)

3000 1964/1975

3000 1976

3000 1974

750 3ООО 1500 1979 1979 1979

8 10 14 2 гсМу+гп+Му) пу+5М+ гимт+м)х Му+п +ЗП+Пу хб+Пу

200,5/200,9 200,5 372,4

58, бМТ3^ 56,1 56,5 М

66/65 41/47,5

988/968 3500

3840

36,1 55,7

38,3

40,9 1056 3000

816 816

4000 II500

104 398

500 (длит.)

3000 1978 испыт.

4 10 6

Му+2П+ 5М+2П+ 2(Му+П+П)

2Ыу +2Пу

101,6 200,0 117,6

53 29

336 800

1980

40,0 МТ 35,0 222 (39,0)М

28

29

1440

368

1612 (мах 2456)

1656

А Д^/JU Vi iJTl V/ X UVM • fw

I 2 3 4 5 6 7 8 9

Конструкционная скорость, км/ч 130 130 130 200 мах 90 мах 140 мах ПО 90 полн. загр.

Электрическое торможение нет рекуп.- нет реост. рекуп.- рекуп.- рекуп .- рекупреост. реост. реост. реост. . реост.

Число боковых дверей в ва- гоне 2 3 2 2 4 2 3 4

Удельная масса тары на I 433/465 место для сидения, кГ 445 452 965 536 488 603

Ускорение при спуске, м/с^ 0,6 0,7 0,7 0.32 до 0,7 120км/ч 1,0 0,91

Возможность секционирования Да / д* да да Да Да да до 12 ваг.) (4 или 8 ваг.) (ДО 12 ваг.) (до 16 (до 3 ваг.) секций)

Кузов стальной стальной стальной AL AL AL нерж. сталь нерж. сталь

Система управления при контак- контак- импульс- импульс-импульс-импульс-им- импульспуске торно- торно- ная ная ная ная пуль-ная реост. реост. сная ж)

МГ - моторный вагон с токоприемником.

ВЫВОДЫ

1. Парк пригородных электропоездов ж.д. ПНР, ^насчитывающий в настоящее время 1300 девятивагонных секций, ежегодно увеличивается на 3-4% в связи с ростом пассажиропотоков. При этом технический уровень используемых электропоездов ш 57, ш 58 не полностью отвечает перспективным требованиям об экономии энергозатрат и уровню технической скорости, что вызывает необходимость проведения модернизации этих электропоездов и разработки новых технических требований на перспективные поезда.

2. Параметры режимов движения цригородных электропоездов целесообразно определять статистическим методом на основе анализа скоростемерных лент и расчета законов распределения вероятностей, характеризующих типовую диаграмму движения электропоезда с фазами разгона, выбега и торможения, а в ряде случаев и с фазой ограничения скорости.

3. Расчет энергетических затрат на движение модернизируемых электропоездов пригородного сообщения целесообразно выполнять предложенным в диссертации теоретико-вероятностным методом на основе определения статистических характеристик пригородных участков: распределения вероятностей значений длин перегонов, скоростей движения электропоезда, соответствующих моменту перехода на выбег и начала торможения.

4. Выполненный статистический анализ режимов движения электропоездов на цригородных участках ж.д. ПНР показал, что распределения вероятностей значений скоростей начала выбега и торможения для Катовицкого узла являются нормальными с параметрами

VHB = 71,7 км/ч; 6*нв = 14,7 км/ч, \/ит = 67,4 км/ч; 6"иг = 15,5 км/ч; для Познанского узла аналогичные распределения являются од-номодальными с параметрами VU6 = 89,2 км/ч; б"НБ =8,7 км/ч;

Уит =83,1 км/ч; 6НТ = 10,1 км/ч. Распределение значений длин перегонов является логарифмически нормальным с s = 3,93 км, = 1,77 км для Катовицкого узла и равномерным с s = 4,96 км, 6$ = 1,66 км для Познанского узла. На основе указанных числовых характеристик определены энергетические затраты на движение электропоезда в целом, а также их отдельные составляющие и, в частности, пусковые и тормозные потери.

5. Анализ составляющих энергозатрат на движение модернизированных поездов, выполненный на основе статистических характеристик заданных участков обращения ж.д. ПНР, показал, что может быть достигнута экономия пусковых потерь в 6-9% общего расхода энергии и тормозных потерь - 30-35% (при вероятности приема энергии рекуперации = I).

6. Для вновь проектируемых электропоездов расчет энергозатрат целесообразно проводить путем перехода от распределений скоростей начала выбега р(^ив) и скоростей начала торможения p(VHt) соответственно к распределению энергии, потребляемой электропоездом р(Ав) , и распределению возможной энергии рекуперации рСАт) с последующим вычислением числовых характеристик этих распределений , 6ГВ , Ат , . Суммарное потребление энергии на перегоне равно при этом А^ = ~ Ат , а его дисперсия - ^ - + .

7. Анализ вариантов модернизации эксплуатируемых в настоящее время электропоездов ж.д. ПНР (типы EN57, EW 58) показал, что наиболее целесообразным является внедрение импульсного регулирования и применение авторежимных устройств. В условиях пригородных участков ж.д. ПНР за счет осуществления этих мероприятия обеспечивается экономия электроэнергии до 50%, так как исключаются пуско-тормозные потери и повышается пусковое ускорение.

8. При проектировании новых серий электропоездов рекомендуется учитывать мероприятия, обеспечивающие экономию энергозатрат при движении за счет црименения облегченных кузовов на основе алюминиевых сплавов, удлиненных вагонов с дополнительным дверным проемом, по возможности двухэтажных вагонов, эксплуатацию электропоездов с переменным числом секций и варьируемым соотношением числа моторных и прицепных вагонов. За счет этих мероцриятий может быть получена дополнительная экономия энергии в 10-15% от общего расхода.

9. Для обеспечения дополнительной экономии электроэнергии в пригородном сообщении особое значение имеет опыт работы поездных бригад и техническое состояние подвижного состава. Анализ данных по эксплуатации электропоездов в депо Познанского, Катовицкого, Варшавского узлов показывает, что расхолщение удельных расходов энергии в идентичных условиях может достигать 15%. Поэтому при внедрении электропоездов с импульсным радулированием следует организовать обучение поездных бригад, положив в основу учебных программ материалы главы б, а также опыт передовых машинистов и ремонтников ЭПС.

1. Акулиничев В.М.,Корешков А.Н. Математические методы в эксплуатации железных дорог.- М.: Транспорт, 1981, 221с.

2. Бещева Н.И. Сравнение отдельных видов тяги в пригородном пассажирском движении.- М.: Транспорт, 1968, 362с.

3. Бубчинский З.М.,Соколов С.И.,Эглон Е.А.,Лынюк Л.С. Электропоезда.- М.: Транспорт, 1983, 415с.

4. Вентцель Е.С. Теория вероятностей.- М.: Наука, 1969, 576с.

5. Гуткин Л.В.,Дымант Ю.Н.,Иванов И.А. Электропоезд ЭР200.- М.: Транспорт, 1981, 188с.

6. Захарченко Д.Д.,Ротанов Н.А.,Горчаков Е.В. Тяговые электрические машины и трансформаторы/Под ред. Д.Д.Захарченко.- М.: Транспорт, 1979, 303с.

7. Исаев И.П. Случайные факторы и коэффициент сцепления.- М.: Транспорт, 1970, 182с.

8. Исаев И.П.Феоктистов В.П. Эффективность црименения систем импульсного регул!фования на электропоездах.- Вестник ВНИИШТ, 1982, № 2, с.19-22.

9. Испытания локомотивов и выбор рациональных режимов вождения поездов/Под ред. С.И.Осипова.- М.: Транспорт, 1975.

10. Костгоковский М.А., Управление электропоездом и его обслуживание." М.: Транспорт, 1980, 208с.

11. Кочнев Ф.П. Оптимальные параметры цригородных пассажирских перевозок.- М.: Транспорт, 1975, 298с.

12. Краснобаев Н.И.,Барский М.Р.,Шредер И.Б.,Ванаг Я.А. Контактно-аккумуляторная тяга на железнодорожном транспорте.- М.: Транспорт, 1977, 279с.

13. Надежность изделий машиностроения.- ГОСТ 17510-72, 1975, 19с.

14. Осипов С.И.,Миронов К.А.,Ревич В.й. Основы локомотивной тяги. М.: Транспорт, 1975, 298с.

15. Подвижной состав и тяга поездов/Под ред. В.В.Деева и Н.А. Фуфрннского.- М.: Транспорт, 1979, 367с.

16. Раков В.А. Локомотивы и моторвагонный подвижной состав железных дорог Советского Союза (1966-1975г.г.).- М.: Транспорт, 1979, 213с.

17. Розенфельд В.Е.,Исаев И.П.,Сидоров Н.Н. Теория электрической тяги.- М.: Транспорт, 1983, 325с.

18. Розенфельд В.Е.,Шевченко В.В.,Майбога В.А.,Долаберидзе Г.П. Тиристорное управление электрически» подвижным составом постоянного тока.- М.: Транспорт, 1970, 240с.

19. Тихменев Б.Н.,Трахтман Л.М. Подвижной Ьостав электрифицированных железных дорог.- М.:Транспорт, 1980, 468с.

20. Фаминский Г.В. Экономия электроэнергии в электропоездах.- М.:1. Транспорт, 1970, 88с.

21. Феоктистов В.П. Системы регулирования режимов работы электропоездов постоянного тока с импульсными преобразователями.- Дис. . докт.техн. наук. М., 1982.

22. Цукало П.В.,Ерошкин Н.Г.,Ковалев А.И.,Батурин А.А. Электропоезда постоянного тока.- М.: Транспорт, 1979, 415с.

23. Цукало П.В. Экономия электроэнергии на моторвагонном подвижном составе.- М.: Транспорт, 1975, 69с.

24. Чаусов О.Г.,Кояри Е.П.Феоктистов В.П. Электропоезда с импульсным регулированием.-Электрическая и тепловозная тяга, 1981,8, с.47-48.

25. Щиголев Б.М. Математическая обработка наблюдений.- М.: Наука, 1969, 344с.

26. Результаты испытаний опытного электропоезда ЭР12 с импульснымрегулированием напряжения в режиме тяги/Калинкин Е.И. и др.-Тр.ВНИИЖГ, 1981, вып. 636, с.108-120.

27. Электропоезда постоянного тока с импульсными цреобразователя-ми/Под ред. В.Е.Розенфельда.- М.: Транспорт, 1976, 279с.

28. Эйсукэ Масада и др. Экономика эксплуатации и технические условия на систему привода подвижного состава на электротяге.-Дэнки гаккай гидзюну хококу. 1981, т.5, № 112, с.1-56.

29. Рюгер 3. Эксплуатация городского пассажирского транспорта.-М.:Транспорт, 1977, с.207.

30. ВN. О cUbtsaQ -Е^^л^-еу^гхАл** "f/vcu^ —

31. SyiАобуоо^о . Z^oJcya / f / AJS^/ с. -fZ-ZO.fcyj*te jfeW FN ss~ (' ENS?. kjKt, А/^гсг^эъАжзЛс f. /^oi^it^osa иогхг&п&с**** fe

32. С^гЛЫ/^сл^АА^аСл. ■fas&Cic^s'^yoli. . /уиО^суек /o^ t 4Щ A/** / c.

33. PfcP. V/lu^wc/' / sf&tfZj Af-?Sc 6?-?0.<37. firO/^ovak F. /м^Муа. у<уъил о, z^ijoLe •боое^й' t

34. Jo^xu^est P^jI^X^, ZoAJ&Z / <r. J7-/0.

35. Zo^aMx /^OSAS^qss/' fca&yocs^. oS a&S/Cudz* ^/b^c^s^zoLr yvQSctie*/-'s/bt'U*- Щьliy Dofcp do Bksjblocday*. faUi,e. 46-zo.

36. Результаты тягового расчета для эксплуатируемых электропоездов

37. Результаты тягового расчета для базового состава

38. N1 Vovc, VO(kh), AV, Vcf, F. W, F-W, а, at, k > 2А*,