автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Способы повышения эксплуатационной энергетической эффективности магистральных электровозов переменного тока

М О ОМ

1 О ФЕВ 1998 На правах рукописи

КРЫГИН Анатолий Николаевич 7

/

УДК 429.423.1.016:621.335.2

СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Специальность 05.22.07 — «Подвижной состав железных дорог и тяга поездов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ОМСК 1998

Работа выполнена на кафедре «Подвижной состав электрических железных дорог» Омской государственной академии путей сообщения.

Научный руководитель н консультант:

кандидат технических наук, профессор БАБИЧ Валентин Матвеевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, академик ПАНИ АВИЛОВ Валери^ Дмитриевич,

кандидат технических наук, доцент ТКАЧЕВ Юрий Васильевич.

Ведущее предприятие:

Западно-Сибирская железная дорога.

Защита состоится 1998 года в 9.00 часов на заседа-

нии диссертационного совета Д 114.06.01 при Омском государственном университете путей сообщения по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан ^ «¡ЯН&й.^^_ '998 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 114.06.01.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор В. К. Окишев.

Омский гос. университет путей сообщения, 1998

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Для успешного и эффективного освоения грузовых перевозок по железным дорогам России необходимо не только повышать массу поездов и увеличивать при этом пропорционально число движущих осей и мощность локомотива, но и решать ряд технических задач, направленных на улучшение тягово-энергетических показателей электроподвижного состава, оказывающих влияние на экономию электроэнергии на тягу поездов. Особое значение это имеет при работе мощных многоосных и многосекционных локомотивов на участках большой протяженности со сложным, перевалисгым профилем пути с характерным чередованием равнинных элементов, где по условиям движения могут быть реализованы высокие скорости, с крутыми затяжными подъемами, где от локомотива требуются м аксимальные тяговые усилия.

От рациональности соотношения движущих осей на протяженных участках и перегонах подталкивания зависят, с одной стороны, надежный пропуск поездов необходимой массы, с другой - экономичность по энергетике режимов работы электроподвижного состава.

Некоторые участки железных дорог Сибири и Забайкалья характерны неравномерностью грузопотоков в четном и нечетном направлениях, особенно в местах зарождения грузов с энергетическим сырьем.

Анализ профиля пути и нагрузок электровозов на этих участках показывает, что лишь 4-5% продолжительности тягового режима реализуется с мощностью, близкой к номинальной, 70-75% - с нагрузками 0,5-0,8 номинальной, остальное время использование сил тяги и мощности локомотивов не превышает 0,5 номинальных значений. Таким образом, все возрастающая мощность современных локомотивов усиливает проблему ее полной реализации в эксплуатации, а следовательно, повышение эксплуатационного КПД электровозной тяги.

Вопросам улучшения качественных показателей использования подвижного состава и среди них повышения эффективности локомотивного парка посвятили свои труды видные отечественные ученые и специалисты. Среди современных исследований необходимо отметить работы В. Е. Розенфельда, Л. М. Трахтмана, И.П. Исаева, Н. Н. Сидорова, О. А.Некрасова, В. Д. Тулупова, В.П. Феоктистова, А. Н. Савоськина, А. В. Плакса, JL А. Мугинштейна, В. Н. Рахманинова, Е. В. Ерофеева, Л. А. Баранова, A.M. Дядькова, Э. С. Почаевеца, А. Л. Лисицина, Г. Е. Фаминского, В. Н. Лисунова, В. М. Бабича, Н. С. Назарова, Р. Я. Медлина и др. Немало разработок по созданию устройств автоматического регулирования мощности тягового привода на уровне изобретений выполнено коллективами ученых и специалистов ВЭлНИИ, ВНИИЖТа, МГУПС (МИИТа), ПГУПС (ЛИИЖТа), УрГАПС (УрЭМИИТа), ЕетИИЖТа, ИрИИТа и др.

.Автоматизация процесса раулирования мощности для электровозов с

плавным изменением подводимого к двигателям напряжения с независимым возбуждением вносит свои специфические особенности в законы реализации оптимальных нагрузочных параметров энергетической установки локомотива, в связи с чем меняются требования к алгоритмам управления. Опыт эксплуатации электровозов ВЛ85, оборудованных замкнутой (по току) системой автоматического регулирования, показал, что независимое возбуждение, применяемое в режимах тяги (опытная эксплуатация) и рекуперативного торможения, имеет недостаточно высокую энергетическую эффективность.

Таким образом, проблема повышения энергетической эффективности электровозов переменного тока в режимах тяги и рекуперации приобрела еще большую актуальность.

Цель работы - повышение экономичности преобразования мощности тягового привода локомотива в режимах тяги и рекуперативного торможения путем разработки, исследования и оценки способов повышения эксплуатационной энергетической эффективности магистральных электровозов переменного тока с учетом особенностей эксплуатации и режимов их работы.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи по разработке:

- методики оценки энергетической эффективности локомотивов в рабочем диапазоне сил тяги (торможения) и скорости движения, независимо от уровня напряжения в контактной сети;

- методов выбора и обоснования критериев экономичности режимов работы локомотива при решении оптимизационной задачи;

- методов определения и способов задания оптимальных нагрузочных параметров электропривода электровоза в режимах тяги (рекуперации) в функции сил тяги (торможения) и скорости движения;

- методики и алгоритма расчета эксплуатационных тягово-энергегических показателей..

Научную новизну диссертационной работы характеризуют следующие основные результаты:

- разработана математическая модель электромеханического преобразования мощности тягово-энергсгической установки локомотива;

- усовершенствована методика расчета тягово-энергетических показателей локомотива с учетом особенностей условий эксплуатации и режимов его работы, отличающаяся универсальностью, сравнительной точностью и простотой реализации на ЭВМ;

- разработана методика оценки энергетической эффективности локомотивов в эксплуатации без производства тяговых расчетов в рабочем диапазоне сил тяги (торможения) и скорости движения;

- разработаны способы реализации оптимальных нагрузочных параметров электропривода при регулировании мощности электровоза;

- разработан алгоритм расчета эксплуатационных тягово-энергетических показателей электровозов переменного тока и нагрузочных параметров с возможностью их оптимизации.

Практическое значение работы состоит в том, что на основе разработанных методик созданы алгоритмы, позволяющие сократить объем и трудоемкость необходимых теоретических и экспериментальных исследований при оценках энергетической и экономической эффективности способов регулирования мощности тягояого привода локомотива, при решении оптимизационных задач, разработке режимных карт вождения грузовых поездов и энергетических паспортов, а закономерности реализации оптимальных нагрузочных параметров использовать при разработке алгоритмов управления работой тягового привода.

Основные результаты исследований использованы при разработке режимных карт вождения грузовых поездов электровозами переменного тока ВЛ80Р, ВЛ85 и ВЛ80С и внедрены в практику работы локомотивных бригад депо Тайшет, Вихоревка Восточно-Сибирской и депо Карасук, Алтайская ЗападноСибирской железных дорог.

Достоверность разработанных принципов II решений обоснована теоретически и подтверждена сходимостью теоретических и экспериментальных исследований.

Расхождение расчетных и экспериментальных значений не превышает 10%.

Научно-техническая значимость выводов и предложений в работе, состоит в том, что выполненные в диссертации исследования позволяют снизить трудоемкость при разработке энергетических паспортов электровозов, режимных карт зождения грузовых поездов и повысить точность определения оптимальных нагрузок тягово-энергетической установки и прогнозировать эксплуатационные жергетические показатели электроподвижного состава.

Апробация работы. Основные положения, выводы и рекомендации по работе были доложены и обсуждены на всесоюзной научно-технической конференции 'Повышение энергетической эффективности локомотивов" (Ростов - на - Дону, 986 г.), на 3-й всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы развития локомотивостроения" (г. Луганск, 1990 г.), на научно-практической конфе-¡енции кафедр ОмИИТа, посвященной 60-летию ОмИИТа (г. Омск, 1990 г.), на -й всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы раз-¡ития электровозостроения в стране" (г. Новочеркасск, 1991 г.), на научной конвенции "Проблемы экологии, энергетики, безопасность транспорта. Результаты 1сследований, практика их применения" (г. Москва, 1992 г.), на международной онференции "Состояние и перспективы развития локомотивостроения" (г. Ново-

черкасск, 1994 г.), на научно-практической конференции "Энергосбережение на предприятиях Западно-Сибирской железной дороги" (г. Омск, 1996, 1997 гг.).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 8 депонированных рукописей, 7 статей в сборниках научных работ, 7 тезисов и докладов, 8 отчетов по НИСу, зарегесгрированных в ВНИЦе.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит 143 страницы машинописного текста, 52 рисунка, 9 таблиц и состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 135 наименований и пяти приложений. Объем работы 250 с.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определена цель и сформулированы задачи исследования.

В первой главе разработаны математическая модель электромеханического преобразования мощности локомотива, методика, алгоритм и программа расчета тягово-энергетических показателей электровоза на ЭВМ.

Исследование экономичности преобразования мощности локомотива как тягово-энергетической установки (ТЭУ) выполнено методом математического моделирования ТЭУ на цифровых ЭВМ.

Построение математической модели основано на последовательном описании статических процессов преобразования и передачи мощности элементами ТЭУ электровоза математическими зависимостями и выполнено на основе баланса мощностей. Входными расчетными параметрами модели приняты значения сил тяги (торможения) F^B,) и скорость движения V. Процесс преобразования и передачи мощности сопровождается частичной ее потерей в каждом из элементов ТЭУ локомотива: в зубчатой передаче (с учетом трения в буксовых и моторно-осевых подшипниках) ДР>Л., в тяговом двигателе ДРд, в балластных резисторах ДРб.Р> в сглаживающих реакторах ДРС.Р, в вентилях выпрямительно-инверторного преобразователя (ВИП) ДРа1Ш, в первичной и вторичной обмотках силового трансформатора ДРтр.я. Преобразование энергии из вращательного в поступательное перемещение локомотива по рельсам сопровождается потерями мощности в месте контакта колес с рельсами ДРСЦ. Часть мощности расходуется на собственные нужды электровоза Рсд. Потери по каналу тока возбуждения состоят из потерь в первичной и питающей обмотках тягового трансформатора ДРтр.в, в управляемых вентилях впрямительной установки возбуждени (ВУВ) ДРзуЕ; в обмотках возбуждения ДРВ. При этом не нарушено равенство мощностей по входу и выходу как каждого элемента (P,.,=P31cj +ДВи) и системы в цепом (Рэ =РЭК+ДР3) и исключено из расчетов напряжение в контактной сети, здесь Рэ, Р!с - соответственно полезная и подведенная мощности в режиме тяги; Р,.Р, Ржр - соответственно полез-

ная и подведенная мощности в режиме рекуперации; ДР„, ДР, - соответственно потери мощности в i-м элементе и электровоза в целом. Все элементы ТЭУ способны в большей или меньшей мере накапливать энергию. Эта способность определена наличием индуктивносгей обмоток ТТ, CP и ТД, а также вращающимися и поступательно перемещающимися массами локомотива и соединенного с ним поезда. Переходный электромагнитный процесс в силовой цепи не оказывает влияния на состояние системы после его окончания. Накопление и высвобождение потенциальной и кинетической энергии плюс изменение профиля пути, напряжения в контактной сети, скорости движения определяют широкий диапазон реализуемых значений сил тяги (торможения) и на1рузок ТЭУ локомотива.

В связи с этим обобщенная математическая модель представлена системой уравнений:

Рея = «.Fea (B«)V = «F*(B,) V г ДРс„;

Р>»:(Рэк.р)=а F,.{B,)V= пСУФУ1, ± (АР,п + ДРм«+ДР«аг+ДРдоб);

Рзм = nCVOVI* = nUJ, ± ЛРг + (1)

Р, (Р,.р)= nUjJj ± (- ЛР,М - ДРср - ДРвнп - ДРтр., - Р.; „ - -Р. - УДРб.р),

где Рв = r( APrp.s + ЛРВуВ + ДРВ);

Рсл = Реял +Рснл и;

Ф,ид, Ia, п - соответственно магнитный ноток, напряжение, ток и количество ТД;

а - коэффициент перевода механической энергии в электрическую;

С,- постоянная, определяемая конструктивными параметрами колесно-мо-торного блока;

Рся.н , Рсн.в - соответственно затраты мощности на собственные нужды электровоза для номинального режима при последовательном и независимом возбуждении ТД.

Изменение режима и способа возбуждения ТД в уравнениях учитывается сменой знаков и коэффициентами jli, Г, v. Смена знака в уравнениях системы (I) с плюса на минус означает переход решения с режима рекуперативного торможения на тяговый.

При этом методика расчета потерь мощности усовершенствована с целью определения их для всего диапазона изменения токов и напряжений ТД. Так, дискретные зависимости потерь мощности в зубчатой передаче ДРш,(Р;/РдН), магнитный поток Qt>(I„), коэффициент добавочных потерь кд(ТяЛв) аппроксимированы нелинейными уравнениями вида

у—Ао + Aix + А2Х2 + .. . + АпХ" , (2)

з зависимость кп,>(1г, Us) представлена в функции двух переменных - U* и Г,

Кпо=(В0 + В|1, +В2Ь2 +В&>) + Шо*+В|*1, +Вг*1,2 + ВЛ,3 >11,

(3)

где Во, Вь В;, Вз - коэффициенты регрессии, определяющие зависимость свободного члена уравнения от тока якоря;

Во', В|\ Вг*, Вз*- коэффициенты регрессии, определяющие зависимость коэффициента при ид от тока Ь. Полученные зависимости идентичны экспериментальным, так как коэффициенты корреляции близки к значению погрешность А между фактическими и расчетными значениями составляет не более ±1%, а среднеквадратическое отклонение не превышает бег = ± 3%.

Аппроксимация кда(Ь,ид), ДР,П,( Рь'Рдв), СуФ(1в), кд (УЦ выполнена для нагрузочных параметров ТЭУ, ограниченных минимальными значениями 1„ >100А, 1в>100А и максимальными, не превышающими 1,2 их номинальных значений часового режима. Исключение составляют максимальные значения тока возбуждения и .май;"" 1600А.

Для расчета тягово-энергетических характеристик электровозов переменного тока разработаны алгоритм и программа определения энергетических показателей ЭГ1С переменного тока с ТД последовательного и независимого возбуждения, с плавным и ступенчатым регулированием напряжения в режимах тяги и рекуперативного торможения

Последовательность расчета такова: исходная информация по электрическим параметрам и количественным значениям передающе-преобразоватезтьных элементов исследуемых локомотивов хранится в памяти ЭВМ и выбирается в зависимости от серии локомотива. Перед началом расчета задается режим работы ТЭУ и способ возбуждения ТД. Определяются расчетные формулы. Рассчитываются регрессионные коэффициенты обратной зависимости элекгротяговой характеристики ТД 1,(Р„.) или 1,(В, д). Расчет выполняется для исходных значений скорости V и диапазона изменения тока I, с шагом ДЬ. По току 1Я1, 1„ определяются значения магнитного потока СД>, Ц, „ потерн в ТД: механические ДРдлех, магнитные ДРд^а- и добавочные ДРдлоб, а по уравнению:

Р„ .) = а(пС/Ф\'1а, ± (АР,.с ^ + ДРЛ+ ДРд^.6 )), (4)

где Г« ,(Вэ.д,) - соответственно сила тяги или торможения одного колесно-мотор-ного блока,

определяется сила тяги или торможения ТД. По методу "параболической регрессии" выполняется расчет коэффициентов а, для уравнения вида:

1,= а> + а,Рк.д( Вм Н аг(Рс.д( В,.,))'-. (5)

После подстановки в уравнение (5) найденных значений коэффициентов а,

и заданных значений сил тяги Р*Д или торможения В,.д=Вэ/п, определяются значения тока I,. Затем уточняются значения тока 1„, напряжение ид, С,Ф, коэффициенты кд, Кпо и рассчитьгааются потери мощности во всех узлах ТЭУ. Активные сопротивления элементов ТЭУ приняты для расчетных значений температур для решения задач сравнительного характера, а при производстве тяговых расчетов их численные значения уточняются.

При достижении напряжения на ТД ид, своего максимального значения ид.М1и ток возбуждения 1„ определяется по обратной зависимости 1Й,(СД>) для магнитного потока, рассчитанного по уравнению:

СУФ = (ид.маи: iI.RO/V. _ (6)

Минимальное значение тока 1в проверяется из условия (3< 1ВЯ„ если значение р с Рмин, то ток 1В рассчитывается по зависимости:

1в = 1г рмия. (7)

Далее выполняется расчет тягово-энергетических характеристик локомотива для заданного значения сил Р* или В, и скорости V или для всего диапазона их допустимых значений с заданным шагом их расчета. Определяются суммарные потери мощности АРз>, полезная мощность Р,г, Рэ.р, полная (подведенная) Рэ, Рзу.р, КПД электровоза гь, »1?р и приведенный удельный расход (возврат) электрической энергии на измеритель выполненной работы а, ар соответственно для каждого из режимов работы ТЭУ.

Адекватность математической модели ТЭУ электровоза выполнена путем идентификации электромеханических и энергетических характеристик электровозов серии ВЛ80Р, ВЛ85, ВЛ80Т,С и ВЛ60К при одинаковых значениях Р* и V по критерию Стьюдента. Значения критерия I иабя для теоретических и эмпирических распределений тормозных Ва(У), тяговых РгГ^), скоростных У(1Д), электротяговых (тормозных) характеристик Рг.д(В,.д)(Ь) определены в пределах значимости а=0,05 и соответствующего числа степенен свободы, полученные значения Тн»бл меньше Тгрит.

Во второй главе выполнено исследование тягово-энергетических характеристик электровозов переменного тока ВЛ60К, ВЛ80С, ВЛ80Т, ВЛ80Р и ВЛ85 в режимах тяги и рекуперативного торможения, показано, что зависимости КПД, удельных приведенных затрат электрической энергии в функции сил тяги (торможения) и скорости движения являются значимыми показателями при оценке экономичности преобразования подведенной мощности к тяговому приводу электровоза.

Диапазон изменения КПД в режиме тяга охватывает значения от 0,3 до 0,86 и от 0,2 до 0,79 - в режиме рекуперативного торможения. Численные значения

КПД функционально зависят от значений сил ) (здесь и далее Рг(В,) означает силу тяги нли торможения), скорости V движения и мощности, реализуемой на ободах движущих колес. С повышением сил Р*(В,)> скорости V и мощности увеличивается энергетическая эффективность преобразования. Оптимальным по КПД является использование мощности в диапазоне от 0,6РЯ до Ра длительного режима работы локомотива.

Рациональными способами повышения эксплуатационной энергетической эффективности ТЭУ электровоза являются применение на электровозах переменного тока системы оптимального регулирования мощности ТЭУ и использование режимных карт вождения грузовых поездов по оптимальным нагрузочным параметрам. Это потребовало уточнения критериев расчета и способов реализации закономерностей оптимальных параметров. Применение плавного регулирования напряжения на ТД указало на необходимость получения аналитических зависимостей оптимальных нагрузочных параметров тягового привода для всего диапазона реализуемых мощностей локомотива.

Реализация полезной в режиме тяги (подведенной в режиме рекуперации) мощности на ободе движущих колес локомотива не зависит от его типа, но для конкретной ТЭУ она определяет значения величин тока, напряжения ТД и мощностей от долей номинального до максимально допустимых. При этом каждому значению нагрузки соответствует свой диапазон энергетической эффективности. В свою очередь значения потерь мощности в узлах ТЭУ зависят от величин токов якорной цепи и цепи возбуждения ТД, напряжения на их зажимах, т.е. находятся в прямой зависимости от сил тяги или торможения и скорости движения. Поэтому критерием оптимальности при выборе нагрузочного режима работы электровоза при постоянной реализуемой (подведенной) мощности принят минимум потерь мощности ДР5Юш в узлах ТЭУ электровоза.

В третьей главе разработаны способы определения оптимальных нагрузочных параметров регулирования мощности для электровоза с независимым возбуждением ТД в режимах тяги и рекуперативного торможения Получены аналитические зависимости реализации оптимальных нагрузочных параметров. Определены диапазоны их эффективного использования.

Математически задача оптимизации сформулирована следующим образом: для функции АРэ, зависящей от переменных силы тяги Рг (торможения Вэ). скорости движения V, токов якорной цепи I, и возбуждения 1„, напряжения на зажимах двигателя ид, магнитного потока СФ, требуется определить значения нагрузочных параметров регулирования мощности, доставляющих минимум функции ЛР,(Тг(В,), и, I,, 1„, ид, СФ).

Решение оптимизационной задачи выполнено при условии, что нет потери силы тяги (торможения), при этом величины К* или В, и скорость V приняты по-

стоянными. Связь параметров 1я, 1в, 17,, СФ выполнена с помощью уравнений:

1,= ( 2,725РкУ+ЛР,)/ОФ;

I, = а+ваФ+саонёаФ'+еаФ^; (З)

ид = аФУ+г^д,

где К,-суммарное сопротивление цепи якоря тягового двигателя;

а,в,сДе - коэффициенты аппроксимации кривой намагничивания ТД. Исследование зависимости ДРЭ(1„) (рис.1) при изменении переменной I» показало, что суммарные потери мощности в узлах электровоза ДР, с независимым возбуждением ТД целесообразнее представить в виде суммы трех составляющих:

ДР,= ДР|, + ДР|„ + ДР, (9)

где ДР;„ - потери, вызванные протеканием тока якоря, складываются из следующих составляющих: ДРтр.„, ДРШ11, ДРс.р, ДР„.„ ДРЭМ, ДРб.р в режиме рекуперации. В режиме тяги ДРе.р= 0; ДРг. - потери мощности, возникающие при протекании тока возбуждения,

СОСТОЯТ ИЗ ДР-р.ь, ДРвув, ДРв, ДРд.доб, ДРд.мгц- . ДР - постоянная составляющая потерь мощности, определена суммой следующих составляющих; ДР,.П, ДР**«, ДРгР>Доб, Рс.я.

Значения ДР отличаются (при разных В, или Рк и V) неодинаковыми значениями затрат мощности на собственные нужды.

Из рис.1 видно, что во всем диапазоне тормозных сил при постоянной скорости движения зависимость ДР^Ав) неизменна. Определяющее влияние на

характер зависимости ДРЭ(1В) и значения оптимума 1а оказывают потери в узлах канала регулирования тока якоря ЛРь(1в).

Исследованием функции ДРЭ на экстремум показано, что

сЗЛРы'сШ = - с1АРь/аав), (10)

так как <1ДР/с1(1в) = 0 как постоянная величина, а <1ДР3/с1(1а)= 0 - по условию существования экстремума функции, отсюда следует, что минимум потерь мощности ДРЭ юш в точке с оптимальными значениями Ьот, Ьют характеризуется равенством первых производных потерь мощности, определяемых токами возбуждения и якоря ТД по одному из нагрузочных параметров. Эти производные характеризуют относительные приросты потерь мощности, вызванные протеканием токов якоря и возбуждения. При этом уравнение (10) представляет собой основное условие наивыгоднейшего соотношения нагрузочных параметров Ь и Ц, следовательно, один из способов его реализации в автоматических устройствах.

Задача оптимизации решена двумя методами: последовательных приближений и неопределенных множителей Лагранжа. В первом случае получены оптимальные значения токов якоря I* опт и возбуждения 1„ опт для каждого из возможных сочетаний Б* (Вэ) и V, взятых в расчет. Их анализ приводит к выводу о том, что значения 1г оШ и I, ОПх практически не зависят от скорости движения электровоза, а определяются значениями тормозной силы Вэ.0 или силы тяги Рг.0, реализуемой на ободе одной колесной пары.

Решение оптимизационной задачи методом Лагранжа выполнено при ограничениях в виде равенств: постоянства подведенной к ободу движущего колеса Рж.р в режиме рекуперативного торможения или полезной мощности Рзс в режиме тяги.

Потери мощности в узлах преобразования ТЭУ представлены в функции токов Ь и 1в.и магнитного потока СД> аналитическим выражением:

ДР,=АУ +В1а аФг+С,У -ЮЬ+КУСФи + др + рсн, (11)

где Ь- суммарная номинальная мощность магнитных и добавочных потерь относительно магнитного потока и скорости номинального режима;

К - величина добавочной мощности относительно квадрата тока и напряжения номинального режима работы тяговых обмоток трансформатора;

С|,А - суммарные номинальные параметры величин сопротивлений электрических цепей соответственно по каналам токов якоря и возбуждения, в режиме тяги С] меньше на величину балластного резистора;

О,В - номинальные значения падений напряжения соответственно по ка-

налам регулирования тока якоря и возбуждения.

При решении задачи приняты следующие допущения: коэффициенты кд и Кпо считаются постоянными и равными для среднестатистических значений токов !в и I,, напряжения Us ТД, наиболее часто реализуемых в условиях эксплуатации. Кривая намагничивания аппроксимирована кусочно-линейными уравнениями вида:

13 = а+ЬС,Ф. (12)

Новая целевая функция Ф, являющаяся линейной комбинацией прежней ЛРЛЛ.-.СФ), и уравнений в виде ограничения, преобразованных к виду

W = aFr(B,)V-nC^I>VI, ± (ДР+ДР,.маг +ДР,,.до6 ) = О, (13) Wl=IB - а - ЪСуФ

и умноженных соответственно на Я, Я1, представлена выражением:

Ф(1В,Ь, 1в,ОФ,Я,Я1) = ДР3( 1в,Ь,аФ ) + Я( W )+ Я1(\У1). (14)

Приравняв частные производные функции Ф по независимым переменным U 1в, СуФ, Я и Я1 к нулю, получили систему уравнений, после решение которой относительно, независимых переменных и соответствующих математических преобразований определены аналитические зависимости оптимальных значений G-Фопт, la опт, 1в опт, иДОпг от скорости, силы тяги (торможения):

СФопт= + VÔX + а2 + 0,25а,;

и опт = а + b[v'o,19a,2 + ДЗа? + а2 + 0,25а, ) ; (15)

1,.опт = ((Ь|СФ™^- b2C,4w/(2n))/Ci)o-î- 0.25D/CI, Uj = CVÎWV ± Ь.спт Яд,

гае bi = LVî/2+Ab2 ; b2 =±2LDV°-1+2KAab - Bb. знаки y коэффициента LDV0-5 "+" для режима рекуперативного торможения и "-" - для режима тяга; ai= Ьг/(2пЬ|); аг=№(Вэ))г С)/(п=(ЪГ)1).

Оценка точности определения оптимальных параметров 1в, Г,, С»Ф, полученных по аналитическим зависимостям (15), относительно численного их расчета показала, что наибольший процент отклонения полу ченных результатов для всего диапазона регулирования мощности не превышает 7%, что достаточно для инженерных расчетов.

Для практической реализации в системах автоматического регулирования

13

токов якоря и возбуждения ТД применительно к электровозам серии ВЛЗОР и ВЛ85 получены математические зависимости оптимальных параметров в функции сил тяги (торможения) путем аппроксимации семейства зависимостей I, ошСР^.У), 1«спт.(ВэЛ0 и 1В ошХРк.У), 1,спт.(В,,У) и представлены в общем виде уравнениями

Функциональная связь оптимальных значений токов якоря и возбуждения ТД установлена уравнением второй степени вида:

Полученные аналитические выражения оптимальных параметров регулирования мощности локомотива, предназначены для их реализации в решающих устройствах определения и коррекции управляющих сигналов по каналам регулирования токов 1а и Ij. Использование которых возможно лишь при наличии на электровозе двух независимых (или функционально зависимых) регуляторов: тока якоря и тока возбуждения ТД.

Наибольший эффект от применении ОРМ достигается в диапазоне малых (до 0,5F*.h(B,.h)) и больших (более 0,6Fta(B3J))) значений тяговых (тормозных) сил. При нагрузках Fr(B3)=(0,5 - 0,6)FKJ1(B,.„) значения токов якоря и возбуждения совпадают с оптимальными.

В четвертой главе рассмотрены вопросы оптимизации числа движущих осей локомотива. Показано, что рациональным способом повышения эксплуатационного КПД локомотива является ступенчатое регулирование мощности. Определены аналитические зависимости числа движущих осей в функции силы тяги и скорости движения, а также диапазон оптимального использования силы тяги. Изложена методика выбора оптимальных значений числа движущих осей и определена энергетическая эффективность.

Отключение части двигателей приводит к изменению параметров режима ведения поезда вследствие некоторого увеличения сопротивления движению поезда на AW. Сопротивление движению поезда, при сохранении поступательной скорости, возрастает и становится W2=Wi+AW. Поэтому энергетическое состояние электровоза и его КПД определены с учетом дополнительных затрат энергии на преодоление AW.

При этом для исходного режима сила тяги, приходящаяся на движущую ось локомотива, рассчитана по математическому выражению

1опт - Т + TlFt.o (Вз.о).

(16)

1я.опт = м+ Mlle + М ¿У.

(17)

Ftjl - Рк.д2 / п,

а для режима с частично отключенными двигателями - по формуле:

14

= Г*к.2 /( П-Яо) = (Рк.1 + Л\У)/( П-По) .

(19)

Увеличение сопротивления движению электровоза при отключении части ТД определено по формуле:

где \у'ох и 'м'о - удельные сопротивления движению электровоза без тока и под током соответственно; По - количество отключенных движущих осей, П - нагрузка от оси колесной пары электровоза на рельсы. Ступенчатое регулирование мощности многоосных сцепов электровозов в практике возможно путем отключения отдельных секций, тяговых тележек. Самым эффективным по энергетическим показателям способом является первый. Несмотря на высокую энергетическую эффективность он не найдет широкого применения в практике (особенно в зимний период эксплуатации) в связи с тем, что при отключении секций электровоза нарушается работа системы ее вспомогательных машин прекращается работа мотор-компрессора и вентиляторов охлаждения ТД, что недопустимо. Наиболее приемлем для практического использования способ с отключением части тяговых тележек.

Потери в узлах электровоза сгруппированы по характеру их изменения при отключении части тяговых тележек. При этом суммарные потери мощности в узлах сцепа электровозов определены по формуле:

ГДе ДР31=ДРтр.3а+АРву+ЛР,:р.маг+ЛРд_чаг+АРэп+Рсн; ЛР,|=ДРпр+АРср^+ДРд.эя+ АР«;

АРзз=ДР1р.х^ДРд.ыга;

ЛРтр .ЭП| АРпр, ЛРср.ЗП» АРд.эп - соответственно электрические и добавочные потери в обмотках тяговых трансформаторов, переходных и сглаживающих реакторов, тяговых двигателей;

АРтрлл ЛРср.м1г - магнитные потери соответственно в тяговых трансформаторах, сглаживающих реакторах;

ДРву - потери в полупроводниковых вентилях выпрямительных или выпря-мительно-инверторных преобразователей..

Исследованием функции ДР, на экстремум по переменной числа движущих осей локомотива установлено, что

= (\У'о* - Ш'„)ПоП,

(20)

ДР,= ДРЭ1+ДР,г+ЛР,.} ,

(21)

-44Р,1/ёп= (1ЛР,2/с1п,

(22)

так как с!АР,з/с1п= 0 - как постоянная величина, а сИР,/с!п=0 - по условию существования экстремума функции, отсюда следует, что минимум потерь мощ-

15

носги ЛРэния в точке с оптимальными значениями По характеризуется равенством первых производных потерь мощности, увеличивающихся ЛР,г и уменьшающихся АР,,, по мере отключения числа движущих осей. При этом уравнение (22) представляет собой основное условие определения оптимального числа движущих осей и способ его реализации в автоматических устройствах.

На рис.2 приведены зависимости ДРэ(п) и ее составляющих ДРэ1(п), ЛР.2(п) и ДРэ5(п) для заданных значений силы тяги Рг и скорости движения V сцепа электровозов.

П -

Рис.2

Их анализ приводит к выводу о том, что интенсивности уменьшения потерь (зависимости ДР31(п)) в одних узлах и их возрастания (зависимости ДР,2(п)) в других различны; по мере отключения тяговых тележек наступает момент, когда рост электрических потерь становится преобладающим, а зависимости ДРэ(л) приобретают Ч- образную форму с минимумом в точке, соответствующей Поит.

В связи с тем, что на величину потерь мощности в узлах оказывают влияние сила тяги и скорость движения сцепов электровозов, оптимальное число движущих осей л«,! для каждого значения И* и V будет свое. В определение минимальных значений потерь мощности в узлах сцепа электровозов при заданных значениях Рг и Уна ЭВМ положен метод поразрядного приближения. При этом получены значения числа движущих осей локомотива Попт в зависимости Рки V.

Обобщением зависимостей оптимального числа движущих осей от силы тяги Рк и скорости для различных серий многоосных локомотивов и сцепов аппроксимацией статистических данных 1ЪПт(Л\ Рк) получены аналитические зависимости оптимальных значений числа движущих осей электровоза, представленные в виде уравнения:

Попт = А + ВР*,

(23)

где А и В - коэффициенты аппроксимации, определяемые в зависимости от скорости движения: А = А1 + ВЛ^ + СДП- + Е ЛР, В = А2 + В2У + СгЛП, они показывают связь оптимального числа движущих осей сцепа электровозов со значениями сил тяги и поступательной скорости движения локомотива.

Установлено, что режим работы сцепа электровозов при использовании оптимального числа движущих осей осуществляется с силами тяги колесно-моторных блоков Рг.о=Рк/п, значительно меньшими, чем сила тяги по сцеплению. Значения их, как и ограничения по сцеплению, зависят от скорости движения локомотива и определяются из выражения:

Рк.о=Аз+В?У+СзУ2 , (24)

При этом значения Рк.о в оптимальном режиме составляют (0,6 + 0,7)Рг.са от сил, предельных по сцеплению.

Для зависимости Рг.о(У) оценены параметры нагрузки ТД по току и напряжению, анализ которых показал, что при оптимальном числе движущих осей работающие ТД нагружаются сильнее, что приводит к повышению КПД. Напряжение на зажимах ТД при оптимальном числе движущих осей зависит линейно от скорости движения и практически не зависит от значений сил тяги, реализуемых сцепом электровозов. При этом нагрузочные параметры не превышают своих номинальных значений.

Наибольший эффект имеет место при реализации сил тяги менее 0,5Рьл сцепа и малых скоростях движения. С ростом сил тяга и скорости движения, реализуемых сцепом электровозов, энергетическая эффективность режима с отключением части тяговых тележек падает и при У= 60+70 км/ч, наиболее часто используемой в эксплуатации для длительной езды, его применение целесообразно при силах тяги менее 0,5Р*л сцепа.

Комплексное использование перечисленного открывает реальные возможности повышения энергетической эффективности электрической тяги переменного тока на 4-5%.

Практическая реализация режимов работы ТЭУ локомотива по оптимальным энергетическим параметрам на первом этапе внедрена для ручного управления с применением режимных карг.

В пятой главе разработаны методика, алгоритм тяговых расчетов, выполнена оценка экономической эффективности использования экономичных способов регулирования мощности и применения режимных карт для вождения грузовых поездов.

Оптимизация по энергозатратам перевозочного процесса есть двуединая

17

задача, решение которой комплексное: сначала оптимизируется по минимуму механической работы режим движения поезда на заданном участке, с целью получения оптимальной траектории по скорости движения, затем оптимизируется по минимуму потерь мощности в узлах ТЭУ нагрузочный режим работы локомотива. Методика и аш^оритм решения первой задачи разработаны и усовершенствованы для различных вариантов их использования. Решение второй задачи выполнялось для усредненных значений КПД и определенного уровня напряжения в контактной сети, что явилось определенным тормозом в решении задач оптимизации нагрузочных параметров ТЭУ локомотива, при разработках режимных карт и уменьшало точность в расчетах эксплуатационных показателей и в оценке экономической эффективности режимов работы электроподвижного состава. При этом выполнено объединение математических моделей; движения поезда как материальной точки и ТЭУ локомотива как электромеханического преобразователя энергии по силе тяги или торможению и скорости движения, а методика, алгоритм и программа тяговых расчетов усовершенствованы. Основной алгоритм ТР дополнен подпрограммами расчета нагрузочных параметров, (с возможностью их оптимизации) и определения энергетических показателей ТЭУ электровоза, а также блоками выбора режима работы ТЭУ.

Выбор режимов движения поезда и работы локомотива осуществлен следующим образом: весь интервал возможного изменения V от нуля до граничного Уыак значения разбит на четыре диапазона, ширина которых задается возможным приращением скорости на одном шаге интегрирования, чтобы не выйти за пределы одного из диапазонов. Условно, за первый диапазон, принято ограничение допустимой скорости. Ниже располагаются второй, третий и четвертый. В каждом и них следует либо продолжение текущего режима, либо переход к другому. В целом блок "выбора режима" решает задачу поддержания скорости в пределах второго диапазона, близкого к допустимой скорости на участке, управляет переключением режимов работы локомотива и служит для поддержания заданной скорости движения У на участке и своевременного выполнения ограничений, исключающих длительное "подтягивание" поезда к участку с меньшей скоростью, а также выполняет выбор логических "ключей" для управления математическими операциями модели ТЭУ.

После установления режима работы ТЭУ выполняется расчет потребной силы Рг или В, исходя из скорости V, основного сопротивления движению поезда по перегону и от уклона ¡.

По найденным значениям Рк или В„ V и тока 1„, который задается по алгоритму, определяемому в зависимости от принятого способа и оптимизируемого параметра регулирования мощности, определяются оптимальные значения 1„ ОП1, Ьопт, иДопт и СтФопт или Попт на каждом шаге интегрирования каждого из режи-

мов работы ТЭУ.

При этом расход электрической энергии на тя1у А, и возврат ее Ар предложено определять суммированием расчетных значений Ал и Ар, на каждом шаге интегрирования и соответствующем режиме работы ТЭУ в зависимости от расстояния АБ:

Ат=Е(Рк, да/а+ АР,, да/У,); (25)

Ар=ка] АЗ,/а- АР,) АБ,/У,). (26)

где АРз,, АР^ - соответственно потери мощности в режимах тяги и РТ.

Полный расход электрической энергии А„ с учетом затрат энергии на собственные нужды А«, определен по формуле:

Л„=Лт-Ар+ЕРс„,1, + ЕРс.н,^УРс.11.ки , (27)

ГДС Рс.н!) Рс.н^ Рс.н к соответственно средняя мощность потребления локомотивом для режимов тяги, рекуперации, на выбеге и пневматическом торможении;

1,, ^, и - соответственно продолжительности режимов работы локомотива на соответствующих им шагах интегрирования.

Эксплуатационный КПД электровоза на ободе движущего колеса предложено определять по выражению:

гь=Х(Ри ДБ, /<х+ £В„ А^ /а )/А„. (28)

Основной экономический эффект от применения в автоматических устройствах способов реализации оптимальных нагрузочных параметров ТЭУ электровоза заключен в снижении расхода и в увеличении возврата электрической энергии за счет уменьшения потерь мощности в узлах ТЭУ.

По результатам анализа расчетов затрат энергии сравниваемых способов регулирования мощности, которые выполнены для трех весовых норм- П= 4200, 3600 и 1400 т- для электровоза ВЛ85 и <2 = 4000, 3200 и 1200 т - для ВЛ80Р с нагрузкой на ось вагона я= 20, 17,5 и 6 т/ось, сделан вывод о том, что выбор оптимальных по энергозатратам нагрузочных режимов позволяет уменьшить расход электрической энергии в среднем на 3-5% для двухпараметрического регулирования мощности и повысить в среднем на 4-6% энергетическую эффективность локомотива при ступенчатом регулировании его мощности.

Применение режимных карт на участках Алтайского отделения ЗападноСибирской железной дорога (они устанавливают оптимальный (рациональный) режим по напряжению на тяговых двигателях и количеству движущих осей локомотива для реализуемых в тяге режимов работы электровозов ВЛ80С) позволило получить совокупный экономический эффект Эг = 1231,3 тыс. р., чистый дискон-

тированный доход ЧДЦ = 1330 тыс. р., при этом индекс доходности Ид = 13,4.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Показано, что основными факторами, определяющими уровень и диапазон нагрузок тягово-энергетической установки локомотива, являются профиль пути, масса поезда, скорость движения, напряжение на токоприемнике, а также силы, действующие на поезд, вызванные накоплением и высвобождением потенциальной и кинетической энергии.

2. Установлено, что наиболее простым методом исследования энергетической эффективности новых и усовершенствованных локомотивов при разработке алгоритмов управления работой тягового привода, расчете вариантов более экономичного по энергозатратам использования электроподвижного состава является математическое моделирования статических процессов передачи и преобразования мощности локомотива.

3. Установлено, что оптимизация перевозочного процесса по минимуму энергетических затрат - двуединая задача, решение которойкомплексное: вначале определение оптимальной траектории движения поезда по критерию минимума механической работы, затем для заданных таким образом скорости и силы тяги (торможения) использование оптимальных по энергетике нагрузочных режимов по критерию минимума потерь мощности в узлах локомотива.

4. Разработаны и апробированы алгоритм и программа тяговых расчетов с оптимизацией нагрузочных параметров тягового привода электровоза.

5. Установлено, что повышение энергетической эффективности электровозов возможно если использовать, раздельно и комплексно, следующие способы:

- выбор и применение наиболее эффективных по энергетике тяговых (тормозных) характеристик;

- плавное автоматическое двухпараметрическое (по каналам токов якоря и возбуждения тяговых двигателей) регулирование мощности электровоза по оптимальным энергетическим параметрам;

- частичное отключение тяговых тележек, секций электровозов или их сцепов в периоды работы с явным недоиспользованием их по силе тяги и мощности, реализацией оптимального числа движущих осей.

6. Получены закономерности реализации оптимальных нагрузочных параметров тягового привода для электровозов с последовательным и независимым возбуждением тяговых двигателей.

7. Применение устройств автоматического регулирования мощности с использованием способов задания оптимальных нагрузочных параметров локомотива позволит уменьшить энергопотребление на тягу поездов на 4-6%.

8. 'Экономическая эффективность предлагаемых и усовершенствованных

способов реализации оптимальных параметров регулирования мощности достигнута за счет снижения потерь ее в элементах ТЭУ и повышения эксплуатационного КПД.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Бабич В. М., Усманов Ю.А., Крыгин А. Н. Оценка энергетической эффективности электровоза BJI85 в режимах тяги и рекуперативного торможения // Повышение эффективности электрического торможения электроподвижного состава на дорогах Сибири и Дальнего Востока: Межвуз. темат. сб. науч. тр./ Хабаровский ин-т инж. ж- д. трансп. - Хабаровск, 1987,- С. 79- 85.

2. Методика расчета тягово- энфгегических характеристик электровозов / Бабич В. М., Крыгин А.Н.; Омский ин -т инж. ж. - д. трансп. - Омск, 1988. -Деп.в ЦНИИТЭИ МПС 19.10.88, №4673.

3. Бабич В. М., Крыгин А.Н. Анализ и сравнение энергетических характеристик электровозов переменного тока // Повышение тягово-энергетической эффективности магистральных электровозов: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Омск, 1989.-С. 6 - 15.

4. Пути повышения энергетической эффективности электровозов при вождении поезда увеличенной массы на участках сложного профиля / Бабич В.М., Крыгин А.Н.; Омский ин - т инж. ж.- д. трансп. - Омск, 1989. - Деп. в ЦНИИТЭИ МПС 25.05.89, № 4672.

5. Пути повышения энергетической эффективности электровозов, работающих по СМЕТ / Бабич В.М., Крыгин А.Н.; Омский ин - т инж. ж. - д. трансп. - Омск, 1989. - Деп. в ЦНИИТЭИ МПС 25.10.89. №4753.

6. Энергетические характеристики электровозов BJ160K, BJ180C и ВЛ85 / Бабич В.М., Крыгин А.Н.; Омский ин-т инж. ж-д. трансп. - Омск, 1990,- Деп. в ЦНИИТЭИ МПС 28. 02. 90, № 4976.

7. Методика расчета энергетических характеристик режима рекуперативного торможения / Бабич В.М., Крыгин А.Н.; Омский ин - т инж. ж. - д. трансп, - Омск, 1990.-Деп. в ЦНИИТЭИ МПС 20.07.90, № 5025.

8. Проблемы и пути повышения энергетической эффективности электрической тяги переменного тока на железных дорогах Сибири / Бабич В.М., Крыгин А.Н.; Омский ин -тншк. ж.- д. трансп. - Омск, 1990. - Деп. в ЦНИИТЭИ МПС 31.01.91, № 5368.

9. Оптимальное регулирование мощности электровоза переменного тока в режимах тяги и рекуперативного торможения / Бабич В.М., Крыгин А.Н.; Омский ин-т инж. ж. д.трансп. - Омск, 1990.-Деп. в ЦНИИТЭИ МПС 31.01.91, №5371.

10. Энергетическая эффективность режимов тяги и рекуперативного тор-

можения электровоза при оптимальном регулировании мощности/ Бабич В.М., Крыгин А.Н.; Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Омск, 1990.-Деп. В ЦНИИТЭИ МПС 31.01.91, №5369.

11. Энергетические характеристики режима рекуперативного торможения магистральных электровозов переменного тока / Бабич В.М., Крыгин А.Н.; Омский ин-т инж. ж.-д. трансп.-Омск, 1991-Деп. в ЦНИИТЭИ МПС 20.03.91, № 5284.

12. Бабич В.М., Крыгин А.Н. Математическая модель оптимизации мощности тягового электропривода // Повышение тягово-энергетических показателей и эффективности эксплуатационно-ремонтного обслуживания магистральных электровозов: Межвуз. темат. сб. науч. тр./ Омский ин-т инж. ж, - д. трансп. - Омск, 1993. - С.27 - 37.

13. Крыгин А.Н. Моделирование оптимальных нагрузочных режимов регулирования мощности электроподвижного состава // Математическое моделирование и расчет узлов и устройств объектов железнодорожного транспорта: Межвуз. темат. сб. науч. тр. /Омский ин-т инж. ж. - д. трансп.- Омск, 1994. -С.58-61.

14. Энергетическая эффективность сцепа электровозов при оптимальном числе движущих осей/ Бабич В.М., Крыгин А.Н.; Омский ин-т инж. ж- д. трансп.-Омск, 1994. - Деп. в ЦНИИТЭИ МПС 27.02.95, № 5963.

15. Крыгин А.Н. Математическое моделирование электромеханического преобразования мощности электровоза в оптимальном режиме // Математическое моделирование и расчет узлов и устройств объектов железнодорожного транспорта: Межвуз. темат. сб.науч. тр./ Омская гос. акад. путей сообщения.-Омск, 1997.-С. 47-51.