Содержание к диссертации
Введение
1. Энергосберегающая система тягового электропривода электропоездов постоянного тока и оценка ее потенциальных технико-экономических показателей . 9
1.1. Актуальность проблемы. 9
1.2. Алгоритм работы схем силовых цепей. 18
1.3. Исходные данные и методика расчета пуско-тормозных характеристик . 28
1.4. Построение кривых движения. 38
1.5. Расчет потребления энергии. 41
1.6. Расчет с помощью ЭВМ. 44 Выводы 50
2. Влияние реальных процессов изменения тока и способа учета потерь на пуско-тормозные диаграммы . 52
2.1. Расчет пуско-тормозных диаграмм с учетом ускорения поезда, индуктивности и вихревых токов тяговых машин. 52
2.1.1. Схема замещения тяговой машины при последовательном возбуждении тяговых машин и расчет ее параметров . 53
2.1.2. Расчет пуско-тормозных диаграмм с учетом ускорения и вихревых токов с помощью ЭВМ. 64
2.2. Влияние способа учета потерь в тяговом приводе на пуско-тормозные диаграммы. 69
2.2.1. Расчет потерь энергии в тяговом приводе. 70
2.2.2. Сравнение данных, полученных в результате расчетов, с опытными данными . 77
Выводы 82
3. Совершенствование и повышение энергетических показателей энергосберегающей системы тягового привода . 83
3.1. Обеспечение постоянства сил тяги и торможения на последовательной группировке тяговых машин . 86
3.2. Уменьшение времени срабатывания реостатного контроллера. 94
3.3. Рационализация режимов движения по длинным перегонам. 100
3.4. Оценка возможности исключения из цепи тормозного тока индуктивного шунта. 106 Выводы 121
Заключение 122
Список литературы 124
- Исходные данные и методика расчета пуско-тормозных характеристик
- Схема замещения тяговой машины при последовательном возбуждении тяговых машин и расчет ее параметров
- Сравнение данных, полученных в результате расчетов, с опытными данными
- Обеспечение постоянства сил тяги и торможения на последовательной группировке тяговых машин
Введение к работе
Актуальность темы. В решении транспортных проблем больших городов нашей страны вообще и их связей с областными населенными пунктами и с ближайшими областными центрами и городами в особенности важное, а зачастую и решающее, место занимают пригородные электропоезда (ЭП). Железные дороги наиболее крупных мегаполисов страны, в первую очередь Москвы и Санкт-Петербурга, электрифицированы на постоянном токе и потребляют на обеспечение движения электропоездов наибольшее количество электроэнергии. В частности, на Московской железной дороге (МЖД) электропоезда постоянного тока (ПТ) потребляют за год из системы внешнего электроснабжения около 1 млрд. кВт.*ч электроэнергии и ее абсолютный и удельный не единицу работы (пробега поездов) расходы постоянно растут. Последнее обусловлено тем, что реальные энергетические показатели каждой новой серии ЭП оказываются хуже, чем предыдущей.
Сегодня большую часть эксплуатируемых ЭП ПТ (на МЖД около 50%) составляют однотипные по электрическому оборудованию поезда серий ЭР1 и ЭР2 выпуск которых начался еще в 1957 г. Низкие энергетические показатели этих ЭП обусловлены отсутствием у них рекуперативного тормоза и плохой динамикой, обусловленными относительно малой мощностью тяговых машин (ТМ) и высоким для таких машин напряжением на их коллекторах (более 1.5 кВ в реальных условиях эксплуатации), что при отсутствии компенсационной обмотки ограничивает ослабление поля (ОП) в тяге величиной 50% и практически исключает возможность применения рекуперации. Эти обстоятельства послужили основанием для разработки и освоения производства ЭП с рекуперативно-реостатным тормозом (РРТ). Эти работы, после изготовления нескольких опытных ЭП и трех модификаций поездов серии ЭР22, завершились освоением в 1982 г. серийного производства ЭП типа ЭР2Р.
На всех последующих сериях ЭП ПТ (ЭР2Т, ЭД2Т, ЭТ2Т, ЭД4) используются электрооборудование и с непринципиальными изменениями схема силовых цепей отработанного на ЭР2Р тягового электропривода (ТЭЦ) с РРТ.
Очевидными и весомыми преимуществами поездов ЭР2Р и последующих серий ЭП с РРТ перед ЭР2 являются: - снижение вдвое напряжения на коллекторах ТМ, что повышает их к.п.д, и надежность, облегчает решение проблемы увеличения мощности и позволяет без применения компенсационной обмотки использовать глубокое ослабление поля и, следовательно, резко увеличить силу тяги на высоких скоростях движения; - наличие электрического тормоза, обеспечивающего возможность возврата энергии в контактную сеть, повышающего безопасность движения и облегчающего работу машинистов, а также резко сокращающего износ тормозных колодок и колес и загрязнение балласта пути; отсутствие перегруппировок ТМ, что сокращает количество электрооборудования и упрощает схему силовых цепей и, следовательно, дополнительно повышает надежность работы поезда.
Вместе с тем, отсутствие перегруппировок ТМ на ЭП с РРТ значительно увеличивает пусковые реостатные потери и снижает количество рекуперируемой энергии. Влияние этих факторов на энергетические показатели
ЭП падает с ростом технической скорости движения VT, а во время разработки
ЭП с РРТ их энергетические показатели оценивались при VT=72 км/ч, при которой поезд ЭР2Р с РРТ благодаря лучшей динамике и наличию рекуперации потребляет из системы внешнего электроснабжения на 40% энергии меньше, чем поезд ЭР2, т.е. обладает превосходными энергетическими показателями.
Однако и сегодня VT<55 км/ч и поезда типа ЭР2Р потребляют в тяге на
1/3 больше энергии, чем ЭР2 и это увеличение не компенсируется даже при
100% использовании рекуперации. Это обстоятельство послужило основанием для выполненной МЭИ сначала с участием РЭЗ, а затем МЖД разработки энергосберегающей системы тягового электропривода (ЭС ТЭП), в которой по отношению к серийным ЭП с РРТ достигнуто сокращение потребления энергии из внешнего электроснабжения благодаря применению схемы сплотки на 1/3 при сохранении реализованных па поездах с РРТ преимуществ. Полученные результаты, подтверждаемые шестилетним опытом эксплуатации оборудованного ЭС ТЭП поезда ЭР2Т-7166 и его многократными специальными испытаниями, являются достаточные основанием для использования ЭС ТЭП как при модернизации эксплуатируемых, так и при производстве новых ЭП, а это делает актуальной задачу улучшения технико-экономических показателей ЭП с ЭС ТЭП, что и является основной задачей выполненных исследований.
Цель работы. Целью выполненных исследований является разработка методик более точного расчета пуско-тормозных диаграмм с учетом влияния на процессы изменения токов якорей ТМ и сил тяги и торможения ЭП замедления роста токов якорей при выключении ступеней пускового резистора и включении ступеней ослабления поля из-за наличия в их цепи индуктивностей, запаздывания изменения потока возбуждения вследствие действия вихревых * токов в магнитопроводах ТМ и изменения скорости движения в процессе роста токов якорей, а также - уточнение методики расчета тяговых и тормозных характеристик с обоснованием упрощенного учета суммы магнитных потерь в ТМ и механических потерь в редукторе и оценка с использованием разработанных методик энергетической эффективности перечисленных ниже технических решений: - устранения снижения сил тяги и торможения в процессе перегруппировок ТМ;
Д - уменьшения времени хронометрического вращения реостатного контроллера; - использования при движении по длинные перегонам при повторных включениях тяги только последовательной группировки ТМ.
Кроме того, целью работы является теоретическая оценка возможности упрощения электрооборудования, в частности, путем исключения из цепи токов якорей в режиме рекуперации токоограничивающего реактора.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием методов основ электрической тяги, теории тягового электропривода и автоматического управления. В разработанных методиках расчета пуско-тормозных диаграмм на ЭВМ использованы численные методы расчета электрических цепей. В частности для аппроксимации нагрузочных характеристик применялась кусочно-линейная аппроксимация кривой намагничивания. Для решения системы дифференциальных уравнений, описывающих схему замещения ТМ с учетом индуктивностей и вихревых токов, применялся метод Рунге-Кутты 4 порядка. Достоверность результатов теоретических исследований оценивалась их сопоставлением с опытными данными, полученными в процессе тягово-энергетических испытаний поезда с исследованной системой тягового привода па опытном кольце ВНИИЖТ.
Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты: разработана методика уточненного расчета пуско-тормозных диаграмм и тяговых и тормозных характеристик электропоездов на ЭВМ и составлены соответствующие программы; разработаны новые алгоритмы управления тяговым электроприводом, обеспечивающие улучшение динамических и энергетических показателей электропоездов постоянного тока, и оценена их эффективность; показана возможность упрощения электрооборудования электропоездов за счет исключения из цепи якорей в режиме рекуперативного торможения токоограничивающего реактора.
Практическая ценность и реализация работы. Практическая ценность работы определяется разработкой новых методик расчета пуско-тормозных диаграмм и тяговых и тормозных характеристик, а также - переходных процессов при колебании напряжения в контактной сети, дающих более точные результаты, что позволяет с большей достоверностью оценивать эффективность предлагаемых технических решений теоретически, не прибегая к дорогостоящим и длительным тягово-энергетическим испытаниям и также теоретически оценивать эффективность работы защиты тяговых машин от опасных режимов при изменении параметров их силовых цепей.
Результаты проведенных в работе исследований эффективности ряда мероприятий по улучшению динамических и энергетических показателем электропоездов будут использованы при совершенствовании систем тягового электропривода модернизируемых по энергосберегающей системе тягового электропривода электропоездов.
Исходные данные и методика расчета пуско-тормозных характеристик
Преимущество этого алгоритма управления режимом рекуперации на последовательной группировке ТМ состоит в максимальном возврате энергии в контактную сеть, а недостаток заключается в потере тормозной силы и, следовательно, в ухудшении динамики поезда.
Во втором алгоритме выключение очередных ступеней балластных резисторов R1 происходит при увеличении тока возбуждения до заданного максимального значения. При этом ток якорей остается неизменным, равным току уставки. Ограничение скачков тока якорей при выключении ступеней балластных резисторов R1 обеспечивается соответствующим снижением тока возбуждения. В конечном итоге при рассматриваемом алгоритме управления происходит колебание тормозной силы при сохранении неизменным ее среднего значения.
Преимущество рассмотренного алгоритма управления режимом рекуперативного торможения на последовательной группировке ТМ состоит в максимальной эффективности тормозного процесса, что обеспечивает наилучшую динамику поезда. Недостаток заключается в потере энергии в балластных резисторах.
В третьем алгоритме выключение очередных ступеней балластных резисторов R1 происходит при увеличении тока якоря до заданного максимального значения, которое зависит от величины сопротивления балластного резистора. Постоянство тормозной силы при выключении ступеней балластных резисторов R1 обеспечивается соответствующим снижением тока возбуждения.
Преимущество рассмотренного алгоритма управления режимом рекуперативного торможения на последовательной группировке ТМ состоит в обеспечении предельной тормозной силы при наибольшем возврате энергии в контактную сеть.
Включение реостатного торможения в конце процесса рекуперации на последовательной группировке ТМ осуществляемся при условии равенства нулю сопротивлений резисторов R1 и равенства максимальному заданному значению тока возбуждения. Для этого включаются контакторы П и выключается контактор М. В результате якоря ТМ каждого вагона включаются на резисторы R2 своего вагона. Сопротивление резистора R2 выбирается из условия исключения толчка токов якорей при замещении рекуперативного торможения реостатным. Следовательно, падение напряжения в R2 каждого вагона должно составлять половину напряжения в контактной сети при рекуперации. Для тока уставки в режиме рекуперации 350 А при напряжении в контактной сети 3750 В из условия перехода от рекуперации к реостатному торможению без изменения токов якорей найдем, что сопротивление R2 должно быть равно 5.36 Ом, то есть равно сопротивлению не шунтированной контакторами ТП части резисторов R1.
Как следует из описанного выше алгоритма работы схемы в режиме электрического торможения, при включении тормоза на любой скорости движения схема последовательно "отрабатывает" все виды торможения: рекуперативное на параллельной, а затем на последовательной группировке ТМ и реостатное. Если рекуперация на параллельной группировке при максимальном токе возбуждения не начинается (из-за низкой скорости движения электропоезда), то производится переключение на последовательную группировку. Если и на последовательной группировке э.д.с. ТМ меньше напряжения в контактной сети и рекуперации нет, то осуществляется включение реостатного торможения.
Рассмотренная последовательность работы схемы при включении электрического торможения имеет два недостатка: возможность появления моторного тока на последовательной группировке при ее включении на малой скорости движения и задержка начала тормозного процесса при включении тормоза при низких скоростях движения. Первый недостаток схемы устраняется включением в нее диодной группы VD2, а второй не имеет существенного значения.
Задержка начала тормозного процесса определяется временем хронометрического вращения реостатных контроллеров при последовательной группировке ТМ. Следовательно, максимальная задержка будет при включении торможения в диапазоне скоростей движения, соответствующих зоне действия реостатного тормоза, то есть при скорости движения ниже ориентировочно 25 км/ч. При поочередном вращении РК двух вагонов при At позиции 0.5 с максимальное время задержки включения реостатного торможения состава порядка 5 с. За это время поезд при скорости 25 км/ч пройдет только 35 м. Кроме того, на такой малой скорости эффективно механическое торможение поезда.
В случае срыва рекуперации, например при повышении напряжения в контактной сети из-за отсутствия потребителя электроэнергии, схема обеспечивает замещение рекуперации реостатным торможением на всех скоростях движения без толчков тормозной силы благодаря следящему изменению сопротивлений групп резисторов R1. На параллельной группировке ТМ сопротивление резисторов R1 максимально и составляет 5.36 Ом. Поэтому при использовании реостатного торможения каждая группа ТМ включается на сумму сопротивлений резисторов R1 и R2, составляющую 10.72 Ом через которые при напряжении на коллекторах ТМ 3750 В протекает ток 350 А, равный току уставки при рекуперации. На последовательной группировке ТМ сопротивление резисторов R1 изменяется так, что при включении замещающего реостатного торможения на любой позиции РК сумма падений напряжения на R2 и части R1 при токе уставки 350 А равна напряжению на коллекторах ТМ одного вагона.
Весьма кратковременные толчки тормозного тока возможны только при переключении схемы в режим реостатного торможения из режима рекуперации с пониженными уставками тока. Но в этом случае уменьшается вероятность срывов рекуперации из-за снижения напряжения в контактной сети.
При включении реостатного торможения на высокой скорости движения, сначала происходит торможение с неизменным сопротивлением тормозного контура из последовательно включенных резисторов R1 и R2 и затем, по достижении током возбуждения максимального значения, начинается вращение РК и уменьшение сопротивления в цепи тока якорей. В этом случае ступенчатое уменьшение сопротивления тормозных резисторов начинается со скорости порядка 50 км/ч при уставке тормозного тока 350 А.
Таким образом, схема рис. 1.1 при относительной простоте, с использованием только штатного электрооборудования моторных вагонов электропоезда ЭР2Т, обеспечивает энергосберегающий пуск с перегруппировками ТМ и энергетически эффективное рекуперативное торможение также с перегруппировкой ТМ.
Схема замещения тяговой машины при последовательном возбуждении тяговых машин и расчет ее параметров
Из таблицы 1.2 следует, что итоговый расход энергии электропоездом с ЭС ТЭП, который принято оценивать как разность потребленной на тягу Ат и отданной в контактную сеть при рекуперации Ар энергии, по сравнению с серийными электропоездами сокращается на 36%. Потери в пусковых реостатах уменьшаются в 3 раза, а количество рекуперированной энергии увеличилось более чем в 5 раз.
В результате контрольных тягово-энергетических испытаний опытного электропоезда ЭР2С в режиме сплотки, проведенных на кольце ВНИИЖТ квалифицированными специалистами с использованием специального измерительного комплекса [19], получены наиболее достоверные данные по расходу энергии, которые представлены в таблице 1.3
Из опытных данных следует, что экономия энергии электропоездом с ЭС ТЭП по отношению к серийному составляет 31%, то есть на 5% меньше полученной расчетом. Такая достоверность расчетных данных вполне достаточна для обоснования эффективности и целесообразности применения ЭС ТЭП вместо ТЭП серийных электропоездов при бесспорной экономии порядка 30% энергии. Очевидно, что ошибка 5% в этом случае не может влиять на принципиальную оценку энергетических показателей ЭС ТЭП. Однако, при оценке технико-экономических показателей возможных усовершенствований ЭС ТЭП, которые безусловно будут давать значительно меньшую энергетическую эффективность, такая ошибка уже может влиять на решение о целесообразности практического использования разрабатываемого усовершенствования. Поэтому необходимо иметь возможность получения более точных расчетных данных.
Сравнение данных таблиц 1.2 и 1.3 показывает, что абсолютные результаты полученных показателей для поездов ЭР2С и ЭР2Т отличаются незначительно, но большие расхождения, особенно по эффективности рекуперации, в данных для серийного поезда ЭР2Т. Причиной несовпадения опытных и расчетных данных могут быть отличия условий испытаний от принятых в расчетах. В частности, в испытаниях использовался пятивагонный сцеп, в котором один вагон имитировал загрузку вагонов пассажирами. Этим, очевидно, должно быть вызвано отличие удельного сопротивления движению, которое в расчетах принималось по формуле для 12-ти вагонного поезда. Кроме того, в испытаниях поезд постоянно двигался по кривой, что вызывает увеличение сопротивления движению и рост расхода энергии по сравнению с использовавшимися в расчетах движением по прямой.
Наличие отличий расчетных и опытных величин сопротивления движению подтверждается и тем, что в испытаниях скорость разгона поезда была выше, хотя и незначительно. Но даже малое отличие кривой движения от реальной вызывает значительное изменение энергетических показателей. Особенно четко это проявляется в эффективности рекуперации на ЭР2Т из-за высокой скорости ее окончания. Вместе с тем, анализируемые данные указывают на наличие расхождений расчетных и реальных пуско-тормозных диаграмм и тяговых и тормозных характеристик.
Поэтому актуальна задача выявления факторов, снижающих точность расчетных данных, и совершенствования методик расчета пуско-тормозных характеристик и энергетических показателей электропоездов.
Кроме того, в процессе длительной работы на линии опытного поезда ЭР2Т-7166, запущенного в эксплуатацию 12.09.97 г., и его многократных специальных испытаний выявлена необходимость выполнения исследований по усовершенствованию алгоритма управления режимами работы ТЭП и совершенствования его электрооборудования. Такими исследованиями являются: использование режимов движения без выхода на параллельную группировку ТМ, ликвидация снижения сил тяги и торможения в процессе перегруппировок ТМ и оценка возможности работы ТЭП в режиме рекуперации без включения в цепь токов якорей индуктивных шунтов.
1. Тягово-энергетические расчеты с использованием построенных по классическим методикам с допущением мгновенного изменения токов при выключении ступеней пуско-тормозного резистора дают приемлемые для принципиальной оценки энергетической эффективности и целесообразности использования ЭС ТЭП результаты. Полученная в результате расчета и подтвержденная в испытаниях ВНИИЖТ экономия расход энергии на тягу по отношению к серийным поездам составляет не менее 30%, что является достаточным основанием для рекомендации ЭС ТЭП к массовому внедрению.
2. Многолетний опыт эксплуатации поезда с ЭС ТЭП, пробежавшего после оборудования этим приводом более 750 тыс. км, и его неоднократные специальные испытания подтвердили технико-экономические, особенно энергетические, преимущества разработанной ЭС ТЭП и одновременно показали целесообразность совершенствования алгоритмов управления режимами работы ТЭП.
3. Сравнение расчетных и экспериментальных энергетических показателей ЭС ТЭП показывает их некоторое отличие. Среди возможных причин, обусловливающих отличие расчетных данных от опытных — отличие реальных и использованных в расчетах пуско-тормозных диаграмм. Отличие расчетных данных от реальных несущественно для принципиальной оценки эффективности применения ЭС ТЭП вместо ТЭП серийных электропоездов, но может повлиять на оценку целесообразности использования возможных технических решений по ее совершенствованию. Поэтому необходимы исследования по уточнению методики расчета энергетических показателей электропоездов.
Сравнение данных, полученных в результате расчетов, с опытными данными
При проведении испытаний электропоезда с ЭС ТЭП, ВНИИЖТом были получены осциллограммы тока с шагом по времени 0.02 с. Для более точного сравнения расчетных показателей с опытными, был произведен пересчет характеристик по формулам (2.38) и (2.39-2.61) на новое напряжение, меняющееся в зависимости от ступени пускового реостата и степени ослабления поля. И для режимов тяги и торможения построены зависимости тока I(t), приведенные на рис.2.10 и 2.11. Здесь же построены опытные характеристики. В расчетах уставки РУТ по времени и по току принимались равными реальным, полученным при испытаниях. При расчете номиналы сопротивлений пускового реостата и степеней ослабления поля задавались исходя из реальных значений. По полученным характеристикам были построены кривые движения (см. приложение 9) и произведен расчет расхода энергии. Результаты испытаний и расчетные данные приведены в таблице 2.4.
Как видно из таблицы 2.4, если учитывать все составляющие потерь в ТЭП, процент отличия общего расхода энергии составляет 5.9% и 7.5% по сравнению с опытными данными для различных способов учета потерь в зубчатой передаче. Если принять коэффициент, учитывающий магнитные и механические потери постоянным и равным 0.95 как упоминалось в главе 2.1, то процент различия также составляет 7.5%. Поскольку нет достоверных данных о потерях в зубчатой передаче и в связи со сложностью их расчета, нет необходимости учитывать все составляющие потерь энергии в тяговом электроприводе, т.е. механические и магнитные потери можно учитывать постоянным коэффициентом. Принимая различные значения коэффициента, учитывающего магнитные и механические потери, находим его оптимальное значение, при котором расчетное количество потребляемой поездом энергии значение, при котором расчетное количество потребляемой поездом энергии незначительно отличается от реального. Наиболее оптимальным оказался вариант, когда коэффициент, учитывающий магнитные и механические потери оставался постоянным и равным 0.975. При этом во внимание принималось то, что при данном коэффициенте процент потерь приходящихся на потери в зубчатой передаче составляет порядка 1.5% и вряд ли может быть меньше.
Поэтому дальнейшее уменьшения значения коэффициента Лмех+магн неоправданно. Получаемые при Лмех+магн=0-975 незначительные отличия в расходах энергии, полученных при испытаниях и расчетным путем, могут наблюдаться вследствие того, что испытания производились на кольце, а в расчете не учитывалось то, что сопротивление движению в кривой может изменяться в зависимости от состояния смазки рельсов, из-за которого могут возникать микробоксования и микроюз (чтобы уменьшить сопротивление движению в кривой на современных железных дорогах применяют специальные смазыватели). Кроме того, на сопротивление движению значительно влияют погодные условия (ветер, влажность и т.д.). На различия в расходе энергии также оказывают влияние внутренние сопротивления ТМ и ИШ, которые изменяются в зависимости от степени нагрева обмоток; разброс нагрузочных характеристик, отличия диаметров бандажей колес. 1. Разработанная методика расчета пусковых диаграмм обеспечивает их практически полное совпадение с экспериментальными данными, которые существенно отличаются от рассчитанных по традиционным методикам. Поэтому в тягово-энергетических расчетах, преследующих цель точной оценки энергетической эффективности новых технических решений по совершенствованию тягового электропривода, необходимо использовать уточненную методику расчета пусковых диаграмм электропоездов. 2. Сравнивая полученные в результате уточненного расчета данные с опытными, можно сделать вывод о значительном влиянии на тяговые характеристики ускорения и вихревых токов. Кроме того, принятое ранее значение коэффициента, учитывающего магнитные и механические потери чмех+магн О- З, дает существенное отличие в расходе энергии по сравнению с опытными данными. 3. Полученные с использованием уточненных расчетов пуско-тормозных диаграмм и рассчитанных по ГОСТ потерь в передаточном механизме значения расхода энергии значительно отличаются от опытных, что может быть следствием отличия реальных потерь от рассчитанных по ГОСТ. Поэтому расчеты с использованием рекомендованной ГОСТ зависимости потерь энергии от передаваемой мощности, видимо, дают неверные результаты, что свидетельствует о необходимости уточнения данных о потерях энергии в редукторах тягового привода. 4. Наиболее удовлетворительные результаты получены при учете суммы магнитных и механических потерь постоянным коэффициентом при чмех+мапгФ-975. Как было отмечено в главе 1, из 6-й возможных алгоритмов управления режимами тяги и электрического торможения на опытном электропоезде с ЭС ТЭП для практической реализации был выбран алгоритм, обеспечивающий наименьший расход энергии при технической скорости движения 55 км/ч без изменения традиционного управления работой реостатного контроллера с помощью реле ускорения и торможения (РУТ) с постоянной уставкой тока тяговых машин. Дополнительным преимуществом такого решения является сохранение штатной системы защиты электрооборудования от опасных режимов.
Реализованные на эксплуатируемом более 6-ти лет электропоезде ЭР2Т-7166 тяговые и тормозные характеристики показаны на рис.3.1 и 3.2. Их очевидными недостатками являются так называемые «провалы» сил тяги и торможения в процессах перегруппировок тяговых машин, что ухудшает динамику поезда и должно приводить к увеличению расхода энергии. Как показал опыт эксплуатации поезда в двух депо Московской железной дороги, такой характер тяговых и тормозных характеристик не вызывает затруднений у машинистов, имеющих опыт управление поездом с ЭС ТЭП. Провал силы тяги при разгоне поезда вообще не замечается машинистами, а провал тормозной силы оказывает психологическое воздействие на машинистов, попадающих на поезд впервые, так как некоторое уменьшение тормозной силы происходит при торможении в пределах платформы. При наличии опыта управления поездом с ЭС ТЭП и это обстоятельство не воспринимается машинистами резко отрицательно. Ухудшение динамики поезда из-за рассматриваемых провалов сил тяги и торможения незначительно. В выполненных ВНИИЖТом
контрольных тягово-энергетических испытаниях [19] получено, что при движении по перегону длиной 3 км с технической скоростью 55 км/ч время разгона по отношению к серийным электропоездам увеличивается на 2.8 с, а торможения — на 1.2 с, что составляет всего лишь 2% от времени движения по перегону. При этом тормозной путь увеличивается на 15 м. Очевидно, что такое ухудшение динамики не имеет практического значения, так как разброс этого показателя у серийных поездов может быть и выше из-за отклонений параметров тяговых машин и устройств управления. Тем не менее, принципиально устранить рассматриваемые провалы сил тяги и торможения. Поэтому в диссертации рассмотрены возможные варианты соответствующих технических решений и оценена их энергетическая эффективность с целью оценки целесообразности практического использования.
Обеспечение постоянства сил тяги и торможения на последовательной группировке тяговых машин
Расчетным режимом по классификации ВНИИЖТ считается длительное движение по участку с перегонами 3 км с технической скоростью 70 км/ч. При реальных сегодня технических скоростях движения не более 60 км/ч эти элементы электрооборудования не перегреваются. Тем не менее, проблема снижения их тепловой нагрузки существует. Для трансформаторов возбуждения проблема их перегрева относительно просто решается применением более теплостойкой изоляции обмоток. Для индуктивных шунтов такое простое решение проблемы невозможно. Этим определяется актуальность поставленной задачи оценки возможности отказа от их включения в цепь тормозного тока.
Основанием для предположения о возможности такого решения является эволюция схемы силовых цепей и, главнее, устройств регулирования токов возбуждения тяговых машин в режиме электрического торможения.
На первых опытных поездах с РРТ, а также и на крупной партии поездов серии ЭР22, по аналогии с электровозами, питание обмоток возбуждения тяговых машин осуществлялось от генератора постоянного тока, напряжение которого регулировалось ступенчато путем изменения тока в его обмотке возбуждения с помощью магнитного усилителя при ступенчатом регулировании тока в его обмотке управления. В результате чрезвычайно медленно действующая система регулирования тока возбуждения тяговых машин практически не реагировала на колебания напряжения в контактной сети, которые вызывали значительные изменения тока рекуперации. Для ослабления действия этого недостатка были предложены и испытаны несколько технических решений, в том числе и включение в цепь тормозного тока индуктивных шунтов, выполнявших функции токоограничивающих реакторов. Однако, все эти мероприятия, включая и использование стабилизирующих трансформаторов, не обеспечили приемлемого качества регулирования тока рекуперации. Поэтому были выполнены исследования по совершенствованию системы регулирования токов возбуждения тяговых машин с целью повышения ее быстродействия. В конечном итоге, после испытания на опытных электропоездах трех вариантов разработанных МИИТом, ТЛИ и МЭИ систем для практического использования была выбрана система МЭИ-3, которая и используется на всех эксплуатируемых сегодня поездах с РРТ.
Резкое повышение быстродействия системы регулирования тока возбуждения тяговых машин на серийных электропоездах с РРТ достигнуто за счет питания обмоток возбуждения от генератора переменного тока через полностью управляемый выпрямитель, собранный по схеме Ларионова. Дополнительным преимуществом такого возбудителя является возможность практически безынерционного изменения знака приложенного к обмоткам возбуждения напряжения, то есть его реверсирование, что обеспечивает принудительное уменьшение тока возбуждения при уменьшении напряжения в контактной сети. Эти два обстоятельства обеспечили резкое улучшение качества регулирования тока рекуперации как в установившихся, так и в переходных режимах, включая и режимы скачкообразного изменения напряжения в контактной сети.
Резкое улучшение качества регулирования тока возбуждения тяговых машин в режиме электрического торможения позволяет предположить возможность исключения из цепи тормозного тока индуктивных шунтов. Однако она не была исследована.
Актуальность рассматриваемой проблемы для ЭС ТЭП повышается из-за увеличения по отношению к серийным поездам тепловой нагрузки индуктивных шунтов. Это обусловлено тем, что в схемах серийных поездов индуктивные шунты закорачиваются при переключении схемы в режим реостатного торможения с самовозбуждением, а в схеме ЭС ТЭП они обтекаются тормозным током до конца торможения.
На электропоездах с ЭС ТЭП также можно уменьшить тепловую нагрузку индуктивных шунтов при переходе схемы на последовательное соединение якорей 2-х вагонов, так как на последовательной группировке скачки токов якорей при колебании напряжения в контактной сети существенно меньше, однако такое решение несколько усложняет схему силовых цепей. Кроме того, исключение из цепи тормозного тока индуктивных шунтов имеет три дополнительных достоинства: резко уменьшается их тепловая нагрузка по отношению к имеющейся на серийных электропоездах, уменьшаются потери энергии рекуперации и упрощается схема силовых цепей вагона благодаря исключения из нее коммутирующей аппаратуры, необходимой для переключения индуктивного шунта из цепи резистора ослабления поля в режиме тяги в цепь тормозного тока.
Очевидно, что критерием эффективности использования в качестве токоограничивающего реактора индуктивного шунта является достигаемое при этом уменьшение приращения тока якорей при скачкообразном уменьшении напряжения в контактной сети.
Расчеты переходных процессов при скачках напряжения в контактной сети выполнены с использованием схемы замещения тяговой машины, приведенной на рис.3.16. Расчет параметров этой схемы и их величины приведены в разделе 2.1.1. Дополнительным элементом является только индуктивности токоограничивающего реактора LT0 к качестве которого используется индуктивный шунт. По данным технической документации РЭЗ в расчетах используется LT0 = 40 мГн, хотя эта индуктивность реально зависит как от величины тока в ней, так и от скорости его изменения. Индуктивность каждой тяговой машины состоит из индуктивности якоря La + индуктивности дополнительных полюсов Ьдд. Эти величины также принимались постоянными и равными La = 5,51 мГн и Ьдд = 1,74 мГн.
