Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Энергосберегающая система тягового электропривода электропоездов постоянного тока и оценка её потенциальных технико-экономических показателей 10
1.1. Актуальность проблемы 10
1.2. Энергосберегающая система тягового электропривода 12
1.3. Потенциальные энергетические показатели 16
1.4. Преимущества перед альтернативной системой 21
1.5. Проблемы при использовании энергосберегающей системы и возможные пути их решения 23
1.6. Выводы по главе 1 26
Глава 2. Универсальная программа тягово-энергетических расчётов для электропоездов постоянного тока с различными системамитягового электропривода 28
2.1. Назначение и общее описание программы 28
2.2. Исходные данные и результаты расчёта 30
2.3. Расчёт и построение пусковых характеристик 41
2.4. Расчёт и построение тормозных характеристик 48
2.5. Расчёт и построение кривых движения 55
2.6. Определение расхода энергии 63
2.7. Выводы по главе 2 64
Глава 3. Оптимизация энергетических и улучшение динамических показателей электропоездов постоянного тока с энергосберегающейсистемой тягового привода 65
3.1. Существующие и перспективные схемы формирования различных электропоездов 65
3.2. Энергетические и динамические показатели различных электропоездов з
3.3. Оценка возможности повышения тяговых свойств электропоездов 98
3.4. Выводы по главе 3 106
Глава 4. Оценка противобоксовочных свойств электропоездов с различными системами тягового электропривода 108
4.1. Влияние числа последовательно включённых тяговых машин на процесс боксования 108
4.2. Теоретический расчёт процесса боксования различных электропоездов 111
4.3. Сопоставление теоретического и экспериментального процессов развития боксования 126
4.4. Выводы по главе 4 131
Глава 5. Оценка возможности применения независимого возбуждения тяговых машин на электропоезде с энергосберегающей системой тягового привода 132
5.1. Обоснование целесообразности применения независимого возбуждения в тяговом режиме 132
5.2. Совершенствование энергосберегающих алгоритмов пуска и электрического торможения 136
5.3. Оценка возможности исключения индуктивного шунта из силовой цепи 144
5.4. Энергетические показатели при реализации независимого возбуждения , 154
5.5. Выводы по главе 5 158
Заключение 159
Список литературы
- Потенциальные энергетические показатели
- Расчёт и построение пусковых характеристик
- Энергетические и динамические показатели различных электропоездов
- Сопоставление теоретического и экспериментального процессов развития боксования
Введение к работе
Актуальность темы. Постоянный и значительный рост стоимости энергоресурсов диктует необходимость максимального повышения эффективности их потребления. В общегосударственном масштабе эта задача поставлена в действующем законе РФ «Об энергоэффективности». Задолго до его принятия комплекс мер по снижению удельных энергозатрат на железнодорожном транспорте был сформулирован в Энергетической стратегии ОАО «РЖД». Положение с потреблением энергоресурсов и с затратами на их оплату, а также задачи по сокращению этих издержек изложены в статье старшего вице-президента ОАО «РЖД» В.А. Гапановича.
По данным В.А. Гапановича ОАО «РЖД», являясь «крупнейшим корпоративным потребителем энергоресурсов в стране, в том числе около 5% электроэнергии», затратило на их приобретение в 2008 г. порядка 150 млрд. рублей, причём «основная доля расхода топливно-энергетических ресурсов в Компании приходится на тягу поездов. В частности, на тягу поездов расходуется «82% всего объёма потребления компанией электроэнергии», а её оплата составляет основную часть затрат на энергоресурсы, так как электротяга в 2009 г. выполнила 86% всей работы железных дорог.
Большая доля в эксплуатационных расходах оплаты электроэнергии усиливает актуальность проблемы снижения энергоёмкости электроподвижного состава (ЭПС). В цитируемой статье указано, что «реализация комплекса мер, предусмотренных Энергетической стратегией ОАО «РЖД», позволит к 2020 г. снизить удельные энергозатраты в электротяге на 6-8% по отношению к уровню 2007 г.» и отмечено, что одним из направлений «повышения энергоэффективности перевозочного процесса является применение рекуперативного торможения».
В решении же транспортных проблем больших городов нашей страны вообще и их связей с областными населёнными пунктами и с ближайшими областными центрами и городами в особенности важное, а зачастую и решающее, место занимают пригородные электропоезда (ЭП). Именно для этого вида ЭПС наиболее актуально наличие рекуперативного торможения и повышение его эффективности, так как ЭП в отличие от электровозов как грузовых, так и пассажирских имеют большое количество остановок на станциях и остановочных пунктах, и поэтому разгон и торможение у них осуществляются часто и в широком диапазоне скоростей.
Железные дороги наиболее крупных мегаполисов страны, в первую очередь Москвы и Санкт-Петербурга, электрифицированы на постоянном токе (ПТ) и потребляют на обеспечение движения ЭП наибольшее количество электроэнергии. В частности, на Московской Железной Дороге (МЖД) ЭП ПТ потребляют в год из системы внешнего электроснабжения (ВЭС) около 1 млрд. кВт*ч и её абсолютный и удельный расходы постоянно растут. Последнее обусловлено тем, что реальные энергетические показатели каждой новой серии ЭП оказываются хуже, чем у предыдущей.
На всех выпускавшихся ранее с 1957 г. ЭП ПТ серии ЭР2 использовался тяговый электропривод (ТЭП) с двухступенчатым реостатным пуском и без электрического торможения. Низкие энергетические показатели этих ЭП были обусловлены отсутствием у них рекуперативного тормоза и плохой динамикой вследствие относительно малой мощности тяговых машин (ТМ) и ограничения ослабления поля (ОП) вследствие высокого напряжения на их коллекторах.
С целью устранения этих недостатков была создана новая система ТЭП с рекуперативно-реостатным торможением (РРТ) для ЭП ПТ, разработанная доцентом кафедры электрического транспорта Московского Энергетического Института (МЭИ) Л.М. Трахтманом в 1952-54 гг. В то время не была решена задача обеспечения автоматической перегруппировки ТМ в режиме рекуперации без сброса тормозной силы и с приемлемым качеством переходного процесса при её осуществлении. Поэтому вынужденно было принято решение об использовании на разрабатываемом ЭП с РРТ одноступенчатого рекуперативного тормоза и, как следствие, также одноступенчатого реостатного пуска без переключения ТМ.
При этом предполагалось, что при прогнозировавшемся увеличении технической скорости движения эти ЭП с РРТ будут обладать превосходными энергетическими показателями, то есть экономия энергии от наличия рекуперативного тормоза будет существенно покрывать её перерасход из-за отсутствия перегруппировки ТМ. Однако ожидаемого увеличения технической скорости не произошло и она осталась на довольно низком уровне, в результате перерасход энергии в тяге не смог быть скомпенсирован экономией в торможении. В итоге энергетические показатели ЭП с РРТ оказались хуже чем у ЭП серии ЭР2.
Это обстоятельство послужило основанием для выполненной МЭИ в 1985-87 гг. сначала с участием Рижского Электромашиностроительного Завода (РЭЗ), а затем МЖД разработки энергосберегающей системы (ЭС) ТЭП, в которой по отношению к серийным ЭП с РРТ достигнуто сокращение потребления энергии из системы ВЭС благодаря применению схемы сплотки на 1/3 при сохранении реализованных на ЭП с РРТ преимуществ. Полученные результаты проведенных 6-ти специальных испытаний ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки, 2-х контрольных тягово-энергетических испытаний (ТЭИ) и 4-х эксплуатационных – в депо Им. Ильича, Железнодорожная (дважды) и Лобня, подтверждаемые многолетним опытом эксплуатации оборудованных ЭС ТЭП 4-х серийных ЭП с РРТ являются достаточным основанием для применения ЭС ТЭП на базе сплотки как при модернизации существующих, так и при производстве новых ЭП. Это делает актуальной задачу дальнейшего улучшения технико-экономических показателей ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки, а также выяснения возможности наличия определённых негативных явлений, возникающих при реализации ЭС ТЭП, что и является основной задачей выполненных исследований.
Цель работы. Целью выполненных исследований является:
- оценка эффективности применения ЭС ТЭП на базе сплотки в ЭП с некратным 4-м общим количеством вагонов, в частности, при их формировании в 11-ти вагонной составности за счёт оптимального соотношения моторных (МВ) и прицепных вагонов (ПВ) при условии обеспечения установленного графика движения;
- оценка возможности улучшения динамических показателей ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки за счёт реализации более глубокого ОП при параллельном соединении ТМ при условии не превышения реальных ограничивающих параметров нормальной работы коллекторно-щёточного аппарата ТМ;
- оценка возможности и эффективности устранения снижений сил тяги и торможения при реализации энергосберегающих режимов работы ТЭП при использовании независимого возбуждения (НВ) ТМ и в режиме тяги с целью улучшения энергетических и динамических показателей ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки;
- оценка возможности исключения из силовой цепи при применении НВ ТМ индуктивного шунта (ИШ), используемого в качестве токоограничивающего реактора (ТР), из-за его повышенного нагрева в режимах тяги и электрического торможения с целью упрощения электрооборудования (ЭО) и снижения расхода энергии;
- оценка влияния на противобоксовочные свойства ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки последовательного соединения 8-ми ТМ на начальном этапе реостатного пуска.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием методов основ электрической тяги, теории тягового электропривода и автоматического управления. Для выполнения всех тягово-энергетических расчётов (ТЭР) использовалась разработанная автором в среде Mathcad специальная универсальная программа. При выполнении всех исследований использовались численные методы. В частности, для аппроксимации нагрузочных характеристик применялась кусочно-линейная аппроксимация кривой намагничивания, а при решении различных дифференциальных уравнений и их систем, описывающих различные механические и электрические переходные процессы использовался метод Эйлера (метод конечных приращений). Он же использовался и в универсальной программе при решении основного уравнения движения. Достоверность результатов теоретических исследований оценивалась их сопоставлением с опытными данными, полученными в процессе ТЭИ ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки на опытном кольце ВНИИЖТ.
Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты:
- разработана универсальная программа по выполнению всех ТЭР для ЭП ПТ с различными системами ТЭП. Она же может быть использована и для выполнения ТЭР другого ЭПС – ЭП метрополитена, трамвайных вагонов и т.п;
- показана возможность работы существующих серийных ЭП с РРТ в 11-ти вагонной составности по схеме с двумя сплотками при безусловном обеспечении реального графика движения на 3-х реальных маршрутах;
- разработаны новые алгоритмы управления ТЭП при применении НВ ТМ, обеспечивающие улучшение энергетических и динамических показателей ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки и оценена их эффективность;
- показана возможность упрощения ЭО ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки при применении НВ ТМ за счёт исключения из силовой цепи ИШ, используемого в качестве ТР в режимах тяги и электрического торможения и оценена энергетическая эффективность этого мероприятия;
- опровергнута версия значительного ухудшения противобоксовочных свойств ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки из-за наличия 8-ми последовательно соединённых ТМ на начальном этапе реостатного пуска.
Практическая ценность и реализация работы. Практическая ценность работы определяется возможностью и целесообразностью работы существующих ЭП в 11-ти вагонной составности, оборудованных ЭС ТЭП на базе сплотки при наиболее оптимальном соотношении МВ и ПВ – 4М+5П+2Г, то есть с 2-мя сплотками при соблюдении установленного графика движения, а также улучшения их динамических показателей за счёт применения дополнительной ступени ОП. Опровержение версии значительного ухудшения противобоксовочных свойств ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки даёт возможность применять эту систему ТЭП. Кроме того, показана целесообразность применения на ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки НВ ТМ без включения ИШ в силовую цепь, что приведёт к упрощению и удешевлению ЭО. Разработанная универсальная программа ТЭР позволяет проводить оценочные теоретические расчёты при любой вариации возможных внешних и внутренних параметрах ЭПС и ТЭП, и условий движения поезда, не прибегая к дорогостоящим и длительным ТЭИ.
Результаты проведённых в работе исследований эффективности ряда мероприятий показали возможность улучшения технико-экономических показателей ЭС ТЭП на базе сплотки, что увеличивает актуальность её применения как на новых ЭП, так и для модернизации эксплуатируемых.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:
- на XII и XIII международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2006 и 2007 гг.);
- на XI и XII международных конференциях «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Крым, Алушта, 2006 и 2008 гг.);
- на II Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2007 г.);
- на международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2009 г.);
- на научно-технических семинарах кафедры Электрический транспорт МЭИ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Содержит 164 страницы машинописного текста с таблицами и иллюстрациями. Список использованной литературы насчитывает 30 наименований.
Потенциальные энергетические показатели
Столь низкие в реальных условиях эксплуатации энергетические показатели ЭП с РРТ обусловили необходимость разработки энергосберегающей системы тягового электропривода (ЭС ТЭП), обеспечивающей их повышение практически во всём диапазоне технических скоростей от 40 км/ч до 72 км/ч. Такая система была разработана МЭИ совместно с РЭЗом. Для реализации этой системы необходимо объединить силовые цепи двух моторных вагонов (MB) с целью получения возможности одной перегруппировки ТМ. Такое техническое решение получило название «сплотка». В настоящее время ЭС ТЭП оборудо ваны 4 реально эксплуатируемых серийных ЭП: ЭР2Р-7074, ЭР2Р-7089, ЭР2Т-7093иЭР2Т-7166.
Упрощённая схема силовых цепей сплотки представлена на рис. 1.1 [6]. Она также обеспечивает эксплуатацию MB и в индивидуальном режиме, в котором практически сохраняется штатный алгоритм работы MB серийных ЭП с РРТ. Практически схемы обоих вагонов сплотки отличаются от серийных только развёрткой реостатного контроллера (РК), в них за исключением блока автоматики используется ЭО только серийных ЭП с РРТ.
На схеме рис. 1.1 обмотки якорей постоянно включённых последовательно 4-х ТМ каждого вагона модификации А и Б изображены одним якорем ЯА и ЯБ. В цепи межвагонного соединения установлен серийный разъём, используемый в. схемах электроотопления пассажирских вагонов от локомотива. Пуско-тормозные резисторы обоих вагонов разделены на две группы R1 и R2, регулирование, сопротивлений которых производится штатными РК. Контакторы тормозного переключателя ТП изображены в положении «тяга». Обмотки возбуждения (ОВ) ТМ каждого вагона А и Б, также как и обмотки якорей, постоянно включены последовательно и изображены одной обмоткой возбуждения ОВА и ОВБ. При этом ОВ показаны для режима независимого возбуждения (НВ), то есть, они подключены к отдельным источникам питания — возбудителям В А и ВБ, хотя в режиме тяги, как и на MB серийных ЭП с РРТ используется последовательное возбуждение (ПВ) со штатными устройствами ОП.
В индивидуальном режиме работы MB разомкнут контактор М, соединяющий, силовые цепи вагонов А и Б. В режиме тяге замкнуты контакторы ЛК и ЛКТ. Ток якорей регулируется вначале изменением сопротивлений R1 и R2, включённых последовательно, а затем применяется шесть ступеней ОП. При рекуперативном торможении контакторы ЛКТ разомкнуты и ток якоря проходит через диоды VD1 и VD2 на вагоне А, и через диод VD1 на вагоне Б. При этом ОВ ТМ каждого вагона подключаются к возбудителям ВА и ВБ, то есть происходит переключение с ПВ на НВ. По мере снижения скорости поддержание постоянства тока якоря осуществляется путём постепенного увеличения и
Упрощённая схема силовых цепей. тока возбуждения. Когда ток возбуждения достигает максимального значения, происходит переход на реостатное торможение, которое включается замыканием контакторов ЛКТ и отключением контакторов ЛК. При этом сохраняется НВ ТМ, а ток якоря регулируется изменением сопротивлений R1 и R2, включённых последовательно, как и в режиме тяги, с одновременным регулированием тока возбуждения.
В режиме сплотки при пуске замкнуты контакторы ЛК и М, при этом ТМ обоих вагонов включены последовательно, а ток якоря вначале регулируется поочерёдным выключением ступеней резисторов R1 каждого MB, что удваивает число ступеней регулирования силы тяги по сравнению с MB серийных ЭП с РРТ, а затем - поочерёдным включением на каждом MB сплотки 1-й, 3-й и 5-й ступеней ОП. Далее происходит переключение ТМ сплотки на параллельное соединение мостовым способом, при этом сначала „включаются контакторы ЛКТ, а затем выключается контактор М. В результате в пределах каждого ]ую последовательно с якорями оказывается включённым сопротивление R2, которое быстро выводится при хронометрическом вращении РК. Далее, как и в индивидуальном режиме работы, применяется шесть ступеней ОП отдельно на каждом MB.
. Рекуперативное торможение в режиме сплотки при параллельном соединении ТМ аналогично рекуперативному торможению в индивидуальном режиме. При этом контактор М разомкнут. Когда ток возбуждения достигает максимального, значения, замыкается контактор М и происходит переход на рекуперативное торможение при последовательном соединении ТМ. При этом ток якоря проходит через последовательно включённые сопротивления R1 обоих вагонов, диод VD1 и контактор ЛК вагона А. Диоды VD2 вагона А и VD1 вагона Б запираются. Далее аналогично пуску при параллельном соединении ТМ происходит хронометрический вывод сопротивлений R1 каждого MB с соответствующим снижением тока возбуждения, после чего поддержание постоянства тока якоря по мере снижения скорости также происходит путём увеличения тока возбуждения. При достижении током возбуждения максимального значения происходит переход на реостатное торможение с НВ ТМ. При этом отключаются контакторы ЛК обоих MB и отключается контактор М, а включаются контакторы ЛКТ также обоих MB. Далее процесс торможения происходит аналогично индивидуальному режиму с одним лишь отличием, что в пределах каждого MB выводится только сопротивление R2. На рис. 1.2 представлена тяговая характеристика ЭП с ЭС ТЭП, работающего в режиме сплотки, а на рис. 1.3 — его тормозная характеристика при работе также в режиме сплотки.
Расчёт и построение пусковых характеристик
Параметры ЭП. - (Составность ЭП, которая включает в себя количество моторных вагонов (MB) NMB, прицепных вагонов NnB и головных вагонов, которых всегда два,, то есть NrB=2; - масса тары моторного вагона Ммв_тара (т), прицепного вагона Мпвтара (т) и головного вагона Мгв тара (т); - количество мест для сидения в моторном вагоне Кмв, прицепном вагоне Кпв и головном вагоне Кгв; - средняя масса одного пассажира, которая принимается равной Мч=0,07 т; ;p " .:. 31 ; - средний коэффициент загрузки пассажирами салонов ЭП, учитывающий наличие не только сидящих, но и стоящих пассажиров, принимается равным Кз=1,5; Тогда масса всего ЭП с пассажирами будет равна (т): Мэп=( Ммв_тара+ Мч Кмв Кз) NMB+( Мпв_тара+ Мч Кпв К3) NnB+( Мгв_тара+ Мч ±VrB JX.3 / -І- ГВ) Общее число ТМ всего ЭП будет равно: хг =4 N - максимальная скорость движения ЭП, которая равна VMaKC=130 км/ч. - зависимость основного удельного сопротивления движению ЭП от скорости (Н/т): а) при движении под током (режимы тяги, электрического торможения): w( r(V)=10,78+0,098 V+0,0022148 V2; б) при движении без тока (режимы выбега, механического торможения): W06T(V)=12,152+0,1764 V+0,0022148 V2. Зависимости основного удельного сопротивления движению от скорости представлены на рис. 2.1. 2. Параметры системы ТЭП. - тип ТМ: а) 1ДТ.003.5 - для серийных ЭП с РРТ и ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки; б) ТЭД-4У1 - для ЭП с ВВ ТМ; Основные параметры ТМ 1ДТ.003.5 [12] и ТМ ТЭД-4У1 [13] представлены в приложении 2; - обмоточные данные ТМ, которые включают в себя сопротивления обмоток возбуждения Ron (ОМ), якоря Ra (Ом), дополнительных полюсов Rfln(OM), а для ТМ типа ТЭД-4У1 - ещё и сопротивление компенсационной обмотки RK0 (Ом); - сопротивление индуктивного шунта (ИШ) в расчёте на одну ТМ составляет К-ишітм— 0,0142 Ом;
Основное удельное сопротивление движению. - нагрузочная характеристика ТМ, которая представляет собой зависимость произведения магнитного потока на машинную постоянную сФ от величины тока возбуждения 1в. При этом величина сФ приведена к ободу движущего колеса, и поэтому учитывает в себе передаточное число тягового редуктора, которое равно ц=3,41, и диаметр движущего колеса, который равен DBK=1,05 м. Кроме того, учтено, что линейная скорость движения измеряется в км/ч. Поэтому нагрузочная характеристика ТМ представляет собой зависимость магнитного потока сФ в В/(км/ч) от тока возбуждения Ів в амперах. В программе зависимость сФ=ф( 1в) задаётся в виде матрицы-столбца тока возбуждения 1в и матрицы-столбца магнитного потока сФ с одинаковым числом строк, то есть каждому значению 1в соответствует своё значение сФ, после чего производится линейная интерполяция точек. При этом нагрузочная характеристика для некомпенсированной ТМ 1ДТ.003.5 задана в виде семейства кривых, каждая из которых соответствует определённому току якоря. Нагрузочная характеристика сФ=ф( Ів) для ТМ 1ДТ.003.5 представлена на рис. 2.2, а для компенсированной ТМ ТЭД-4У1 - на рис. 2.3; - схемы соединения ТМ: а) для серийных ЭП с РРТ во всех режимах тяги и электрического торможения применяется только последовательное соединение 4-х ТМ; б) для ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки в режимах тяги и электрического тормо жения применяется последовательное соединение 8-ми ТМ обоих MB (С соединение) и последовательное соединение 4-х ТМ (П-соединение); в) для ЭП с ВВ ТМ в режимах тяги и электрического торможения применяется последовательное соединение 4-х ТМ (С-соединение) и последовательное со единение 2-х ТМ (П-соединение); - число и величины ступеней пускового реостата, которые представлены в табл. 2.1: а) для серийных ЭП с РРТ имеют место 13 пусковых реостатных ступеней, которые задаются матрицей-столбцом Rn (Ом); A сФ, В ч/км / / I,,A О 100 200 300 400 для L = О для1я= 160 А для L. = 330 А для L = 500 А Рис. 2.2. Нагрузочные характеристики тяговой машины 1 ДТ.003.5 150 100 50 30 10 о \ у їв, 200 250 Рис. 2.3. Нагрузочная характеристика тяговой машины ТЭД-4У1 . 36 б) для ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки имеют место 10 пусковых реостатных сту пеней при С-соединении ТМ, которые задаются матрицей-столбцом Rnnc(OM), и 7 пусковых реостатных ступеней при П-соединении ТМ, которые задаются матрицей-столбцом Rnnp (Ом); в) для ЭП с ВВ ТМ имеют место 8 пусковых реостатных ступеней при С соединении ТМ, которые также задаются матрицей-столбцом Rnnc (Ом), и 4 пусковые реостатные ступени при П-соединении ТМ, которые также задаются матрицей-столбцом Rnnp (Ом); - число и величины ступеней ОП, которые представлены в табл. 2.2: а) для серийных ЭП с РРТ имеют место 6 ступеней ОП, которые задаются мат рицей-столбцом Р; б) для ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки имеют место 6 ступеней ОП при С соединении ТМ, которые задаются матрицами-столбцами ра и pg, и 6 ступеней ОП при П-соединении ТМ, которые задаются матрицей-столбцом (3; в) для ЭП с ВВ ТМ имеют место 5 ступеней ОП только при П-соединении ТМ, которые также задаются матрицей-столбцом Р; - ЭП всех рассматриваемых систем ТЭП оборудованы электрическим рекуперативным и реостатным тормозом; - число и величины ступеней тормозного (балластного) реостата, которые представлены в табл. 2.3: а) для серийных ЭП с РРТ при реостатном торможении имеют место 13 тор мозных реостатных ступеней, которые задаются матрицей-столбцом RT (Ом); б) для ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки при рекуперативном торможении имеют место 10 тормозных реостатных ступеней при С-соединении ТМ, которые за даются матрицей-столбцом RTpK (Ом), и 7 тормозных реостатных ступеней при реостатном торможении, которые задаются матрицей-столбцом R OM); в) для ЭП с ВВ ТМ при рекуперативном торможении имеют место 8 тормозных реостатных ступеней при С-соединении ТМ, которые также задаются матри цей-столбцом RTPK (ОМ), И 4 тормозные реостатные ступени при реостатном торможении, которые также задаются матрицей-столбцом RTpc (Ом); - средний КПД тягового привода г\; , -: средний КПД- преобразователя Гпр. . 3. Внешние параметры. - напряжение в КС в режиме тяги во всех проведённых расчётах принималось равным UKCT=3000 В; - напряжение в КС в режиме рекуперативного торможения во всех проведённых расчётах принималось равным UKCp=3500 В. 4. Внутренние параметры. - уставка тока якоря в режиме тяги: а) для серийных ЭП с РРТ и ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки имеет место одна ус тавка тока якоря в режиме тяги 1яуп (А); б) для ЭП с ВВ ТМ имеют место две уставки пускового тока якоря в режиме тя ги отдельно для каждого соединения ТМ - 1яуппс (А) для С-соединения ТМ и Іяуппр (А) для П-соединения ТМ; - уставка тока якоря в режимах электрического торможения 1яут(А); - максимально возможный ток возбуждения в режимах электрического торможения 1вмакс (А); - среднее время задержки реостатного контроллера (РК) при переходе с позиции на позицию при его хронометрическом вращении: а) для серийных ЭП с РРТ и ЭП с ВВ ТМ среднее время задержки составляет At3=0,5 с; б) для ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки имеют место два средних времени задерж ки отдельно для каждого соединения ТМ - At3C=0,25 с для С-соединения ТМ, так как в работе участвуют одновременно два РК, и Atjn=0,5 с для П-соединения
В программе предусмотрена возможность расчёта двух типов движения. Первый связан с движением поезда по заданному расписанию, при этом задаётся длина участка Ly4 (м) и время следования по этому участку Туч (с), то есть известна средняя скорость движения по участку Vcp=3,6 L / Т (км/ч). Второй связан с тем, что задаётся общая длина участка Ьуч (м) и длина участка следования в режиме тяги, то есть задаётся коэффициент кт, теоретически изменяемый от 0 до 1, при помощи которого и определяется эта длина режима тяги: LT= kT Ьуч (м). При этом время следования по участку Ту с) и средняя скорость движения по участку Vcp (км/ч) определяются в процессе построения кривых движения. Кроме того, можно задать среднюю величину уклона предварительно спрямлённого и усреднённого профиля на участке і (/00). Для удобства выполнения расчётов с несколькими участками и последующего их анализа и обработки в программе предусмотрена возможность задания условного порядкового номера участка Ny4.
Энергетические и динамические показатели различных электропоездов
Расчёт кривых движения V=(p(t) и V=cp(l) в программе производится по основным уравнениям движения в удельной форме в технической системе единиц с применением метода конечных приращений (метода Эйлера). При этом шаг приращения скорости в программе составляет AV=0,1 км/ч.
Для двух типов движения расчёт шаблонов кривых движения для режима тяги V(t) и V(l) начинается при скорости движения V=0, времени движения t=0 и пути 1=0. При этом приращения скорости движения AV, времени движения At и пути А1 положительны. Алгоритм расчёта следующий: - задаётся начальное значение скорости движения VH; - задаётся начальное значение времени движения tH; - задаётся начальное значение пути 1н; - определяется конечное значение скорости движения: VK=VH+AV; - определяется среднее значение скорости движения на интервале VH-VK: Vcp=VH+AV/2; - для среднего значения скорости движения Vcp по характеристике удельной действующей силы для режима тяги f=cp(V) определяется её среднее значение fcp на интервале yH-VK; - определяется приращение времени движения: At=28,3 (l+y) AV/ fcp; - определяется конечное значение времени движения: tK=t„+At; - определяется приращение пути: Д1= Vcp At/3,6; - определяется конечное значение пути: 1К=1Н+А1. Расчёт ведётся до скорости движения V=VMaKc 2. Режим выбега. Для двух типов движения расчёт шаблонов кривых движения для режима выбега V(t) и V(l) начинается при скорости движения V=VMaKc5 условном времени движения t=0 и условном пути 1=0. При этом приращения скорости движения AV отрицательны, времени движения At и пути А1 положительны. Алгоритм расчёта такой же, как и для режима тяги с одним лишь отличием, что конечное значение скорости определяется как VK=VH-AV, среднее значение скорости Vcp=VH-AV/2, а среднее значение удельной действующей силы для режима выбега wcp на интервале V,-VK определяется по характеристике w=(p(V). Расчёт ведётся до,скорости движения V=0.
Для двух типов движения расчёт шаблонов кривых движения для режима торможения V(t) и V(l) начинается как бы навстречу реальному движению при скорости движения V=0, времени движения t=Tyxi=Ly,iA cP (причём для движения с заданным режимом тяги это время - условное, которое потом корректируется при формировании кривых движения), и пути l=Ly4. При этом приращения скорости движения AV положительны, времени движения At и пути А1 отрицательны. Алгоритм расчёта такой же, как и для режима тяги с одним лишь отличием, что конечные значения времени движения и пути определяются как tK=ti-At и 1к=1н-Д1 соответственно, а среднее значение удельной действующей силы для режима торможения Ьср на интервале VH-VK определяется по характеристике b=(p(V).
Расчёт ведётся до скорости движения V=VMaKc. В итоге для обоих типов движения имеют место шаблоны кривых движения V=(p(t) и V=cp(l) для каждого режима движения. Оно осуществляется с использованием рассчитанных шаблонов кривых движения V=(p(t) и V=(p(l) для каждого режима движения и зависит от типа движения. . 1. Движение поезда по заданному расписанию. В этом случае на обоих кривых движения V=cp(t) и V=q (l) начало участка тяги и конец участка торможения фиксированы, так как заданы длиной участка Ьуч и временем движения по участку Туч, то есть расписанием. Для того чтобы средняя скорость движения по участку удовлетворяла условию Vcp= LyV Туч, необходимо соответствующим образом сформировать участок выбега, то есть определить скорости перехода на выбег VHB и торможение VHT- Алгоритм расчёта здесь следующий (рис. 2.4): - программой определяется точка пересечения двух шаблонов V(t) для режимов тяги и торможения, то есть это - предельный случай движения, когда выбег отсутствует; - программой задаётся предварительное значение скорости начала выбега VHB, меньшее чем значение скорости пересечения этих двух шаблонов. Обычно сначала она оказывается существенно больше требуемой скорости перехода на выбег; - Інт Інт(пр) -LVH Li о Інв Інв(пр) Рис. 2.4. Формирование кривых движения по заданному расписанию. - по шаблону V(t) для режима тяги для этой скорости определяется предварительное значение времени перехода на выбег tHB, а по шаблону V(l) для режима тяги - предварительное значение пути перехода на выбег 1нв; - в эти точки предварительного начала выбега двух шаблонов V(t) и V(l) для режима тяги параллельно переносятся соответствующие шаблоны для режима выбега; - пересечение шаблона для режима выбега V(t) с шаблоном для режима торможения V(t) определяет предварительную точку начала торможения, то есть становятся известны предварительные значения скорости начала торможения Virr и времени начала торможения t„T. Обычно сначала она оказывается существенно больше требуемой скорости перехода на торможение; - для этого предварительного значения скорости начала торможения У„т по шаблону V(l) для режима выбега определяется предварительное значение пути перехода на торможение 1пт; - в определённую таким образом предварительную точку начала торможения параллельно переносится шаблон для режима торможения V(l).
В результате для предварительно определённых точек перехода на выбег и торможение, которые удовлетворяют заданному времени движения по участку Ту,,, определяется длина пройденного пути L и сравнивается с заданной длиной участка L . Обычно сначала она оказывается существенно больше заданной длины участка. Это означает, что средняя скорость движения по участку Vcp= Ьуч/ Ту,, тоже оказывается больше заданной. Поэтому далее программой производится уменьшение предварительной скорости начала выбега VHB на величину AV=0,1 км/ч, и расчёт повторяется снова. Процесс уменьшения скорости начала выбега продолжается до тех пор, по длина пройденного пути L не станет равна заданной длине участка Ьуч. При этом будут определены искомые значения скоростей начала выбега VHB и начала торможения Vm-, а по ним определены соответственно значения времени начала выбега tHB и пути начала выбега 1„в, и времени начала торможения t и пути начала торможения Інт. В полученные точки начала выбега и начала торможения на шаблонах V(t) и V(l) для режимов тяги и торможения параллельно переносятся соответствующие шаблоны выбега и таким образом окончательно формируются кривые движения V=(p(t) и V=cp(l) для случая движения поезда по заданному расписанию.
Сопоставление теоретического и экспериментального процессов развития боксования
Серийные электропоезда (ЭП) с рекуперативно-реостатным торможением (РРТ) ЭР2Р, ЭР2Т и ЭД4М имеют при пуске и электрическом торможении только последовательное соединение 4-х тяговых машин (ТМ). ЭП с энергосберегающей системой тягового привода (ЭС ТЭП) на базе сплотки как существующие (ЭР2С), так и перспективные (ЭД4С) при пуске и торможении имеют одно переключение ТМ со схемы, когда все 8 ТМ соединены последовательно, на схему, когда последовательно соединены 4 ТМ, то есть также, как и у серийного ЭП с РРТ. Вследствие этого пуск у серийного ЭП с РРТ начинается при 4-х последовательно соединённых ТМ, а у ЭП с ЭС ТЭП - при 8-ми последовательно соединённых ТМ.
В поверхностных оценках считается, что чем больше в силовой цепи электроподвижного состава (ЭПС) последовательно соединённых ТМ, тем хуже его противобоксовочные свойства, то есть при работе ТМ на пределе по сцеплению вероятность возникновения и глубина развития процесса боксования при последовательном соединении нескольких ТМ больше, чем при их параллельном соединении. Вследствие этого величина расчётного коэффициента сцепления, учитывающего соединение ТМ, при последовательном их соединении меньше, чем при параллельном. В итоге тяговые свойства ЭПС с последовательно включёнными ТМ хуже, чем с теми же ТМ, но включёнными параллельно.
Поэтому можно предположить, что тяговые свойства ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки,,имеющих схему с вдвое большим числом последовательно соеди 109 нённых ТМ, будут хуже, чем у серийных ЭП. Особенно это касается реостатно-го пуска при последовательном соединении ТМ, когда как раз и имеет место последовательное соединение 8-ми ТМ, и в цепь якорей ТМ включено пусковое сопротивление, приводящее к смягчению тяговых реостатных характеристик, и тем самым только способствующее возникновению и развитию процесса бок-сования. При этом наиболее заметно это должно проявляться в самой начальной стадии реостатного пуска, то есть при низких скоростях движения в пределах 5-7 км/ч, когда величина сопротивления пускового реостата особенно велика, а ток якоря уже успел возрасти до заданной величины уставки. Вследствие этого можно ожидать, что при прочих равных условиях, основным из которых является величина уставки пускового тока якоря, то есть величина уставки пусковой силы тяги, близкой к пределу по сцеплению, ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки будут иметь значительно более частые срывы сцепления, и процесс развития боксования будет более длительный и глубокий, чем у серийных ЭП с РРТ, то есть расчётный коэффициент сцепления у ЭП с ЭС ТЭП при последовательном соединении ТМ будет значительно ниже, чем у серийных ЭП с РРТ в том же скоростном диапазоне.
С другой стороны примером, опровергающим вышеизложенные возможные опасения, является то, что в схожей аналогичной ситуации у электровозов постоянного тока серии ВЛ10, имеющих, также как и ЭП с ЭС ТЭП, последовательное соединение 8-ми ТМ, расчётное значение коэффициента сцепления не более чем на 6 % меньше, чем у электровозов переменного тока серии ВЛ80, имеющих параллельное соединение всех 8-ми ТМ, причём электровозы ВЛ10 и ВЛ80 имеют одинаковую механическую часть. При этом более лучшие тяговые свойства электровозов серии ВЛ80 объясняются ещё также и тем, что у них отсутствует реостатный пуск, в отличие от электровозов серии ВЛ10, где он неизбежен, и поэтому промежуточные тяговые характеристики электровозов ВЛ80 существенно более жёсткие, чем реостатные тяговые характеристики электровозов ВЛ10, что и приводит также к повышению расчётного коэффициента сцепления [17]. Поэтому улучшение тяговых свойств электровозов ВЛ80 за счёт отсутствия последовательного соединения ТМ является только лишь частью вышеприведённого увеличения расчётного коэффициента сцепления. Кроме того, число последовательно соединённых ТМ у электровозов ВЛ10 в 8 раз больше, чем у электровоза ВЛ80, в то время как у ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки оно только лишь вдвое больше, чем у серийных ЭП с РРТ. Поэтому снижение значения расчётного коэффициента сцепления у ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки будет совсем незначительно.
В результате в принципе нет оснований полагать, что противобоксовоч ные свойства ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки из-за наличия последовательного соединения ТМ будут значительно хуже, чем у серийных ЭП с РРТ. Это предположение подкрепляется реальным опытом эксплуатации этих ЭП на линии. При этом при прочих равных условиях движения не было зафиксировано более частых случаев нарушения сцепления, связанных с работой ТЭП при последовательном соединении 8-ми ТМ, и если они даже и возникали по другим объективным причинам, то глубина развития процесса боксования была такая же, как и у серийных ЭП с РРТ. Кроме того, ни один из машинистов, работающих на ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки, ни разу не отметил увеличения числа возникновений боксований, а это является значительным положительным фактором [18]. Более того, они даже отмечают лучшие тяговые свойства этих ЭП.
ЭП с высоковольтными (ВВ) ТМ имеют при последовательном соединении 4 последовательно соединённых ТМ в пределах каждого моторного вагона (MB), а при параллельном - 2 последовательно соединённые ТМ. Поэтому их противобоксовочные свойства на начальном этапе реостатного пуска, то есть при последовательном соединении ТМ сравнимы с противобоксовочными свойствами серийных ЭП с РРТ и ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки. Кроме того, на улучшении тяговых и противобоксовочных свойств сказывается увеличение числа пусковых реостатных ступеней, то есть повышение плавности пуска. ЭП с ВВ ТМ имеют меньшее число пусковых реостатных ступеней, чем серийные ЭП с РРТ, и тем более чем ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки, число которых вдвое больше, чем у серийных ЭП с РРТ, в результате по этому критерию противо боксовочные свойства ЭП с ВВ ТМ могут оказаться- хуже не только по сравнению с серийными ЭП с РРТ, но и даже хуже чем у ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки.
В итоге несмотря на вышеприведённые теоретические рассуждения о совсем незначительном ухудшении противобоксовочных свойств ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки, подкрепляемые результатами их фактической работы на линии, требуется теоретическая проверка этого предварительного заключения. Кроме того, при проведении контрольных тягово-энергетических испытаний (ТЭИ) ЭП с ЭС ТЭП на базе сплотки проводился эксперимент по изучению развития искусственно создаваемого процесса боксования, поэтому есть возможность сравнить и проанализировать теоретические и экспериментальные результаты.
