Повышение энергетической эффективности пассажир-ских электровозов с асинхронным тяговым приводом при питании от сети постоянного тока Зарифьян Александр Александрович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования 13

1.1 Проблема энергосбережения при работе тягового подвижного

1.2 Обзор публикаций по возможности экономии электроэнергии на тягу за счет отключения части ТЭД 15

1.3 Особенности силовой схемы пассажирских электровозов с асинхронным тяговым приводом 20

1.4 Фактическое использование мощности 23

1.5 Заключение. Выводы по главе 1 25

Глава 2. Алгоритм повышения энергетической эффективности пассажирских электровозов с асинхронным тяговым приводом при питании от сети постоянного тока 28

2.1 Введение 28

2.2 Эксплуатационные показатели энергетической эффективности

2.3 Получение эксплуатационных показателей энергетической эффективности путем обработки записей бортового регистратора 31

2.4 Показатели энергоэффективности на участке Санкт-Петербург

2.5 Показатели энергоэффективности на участке Туапсе - Горячий

2.6 Показатели энергоэффективности на участке Москва - Рязань 37

2.7 Пути повышения показателей энергоэффективности 40

2.8 Определение зависимости показателей энергоэффективности от

2.9 Алгоритм управления энергетической эффективностью локомо

2.10 Заключение. Выводы по главе 2 49

Глава 3. Построение компьютерных моделей электровоза и пассажирского поезда 51

3.2 Компьютерная модель пассажирского электровоза с АТП при питании от сети постоянного тока 52

3.2.1 Структура компьютерной модели электровоза 53

3.2.2 Компьютерная модель механической части 55

3.2.3 Компьютерная модель АТД 57

3.2.4 Модель системы преобразования энергии 61

3.2.5 Модель системы управления 63

3.2.6 Адаптация компьютерной модели электровоза к решению задач

3.3 Компьютерная модель пассажирского поезда в ПК «Универсаль

3.4 Заключение. Выводы по главе 3 75

Глава 4. Оценка энергетической эффективности электровоза в различных режимах работы при использовании предлагаемого алгоритма 78

4.1 Анализ потребления электроэнергии на участке Москва - Рязань 78

4.2 Анализ потребления электроэнергии на участке С.-Петербург 4

4.3 Анализ потребления электроэнергии на участке Туапсе - перевал 83

4.4 Оценка показателей энергоэффективности при движении по участкам с условным профилем 4.4.1 Энергетические показатели для I - II типов профиля 89

4.4.2 Энергетические показатели для III типа профиля 89

4.4.3 Энергетические показатели для IV типа профиля 90

4.4.4 Энергетические показатели для универсального профиля 90

4.5 Заключение. Выводы по главе 4 93

Глава 5. Контроль состояния контакта колесо-рельс и доработка вспомогательного привода при реализации энергоэффективного алгоритма 95

5.2 Состояние контакта колесо-рельс при реализации энерго эффективного алгоритма 96

5.3 Доработка вспомогательного привода при реализации энергоэффективного алгоритма 104

5.4 Заключение. Выводы по главе 5 107

Заключение. Основные выводы 109

Список литературы

• Особенности силовой схемы пассажирских электровозов с асинхронным тяговым приводом
• Получение эксплуатационных показателей энергетической эффективности путем обработки записей бортового регистратора
• Компьютерная модель механической части
• Оценка показателей энергоэффективности при движении по участкам с условным профилем

Введение к работе

Актуальность темы исследования. В соответствии со «Стратегией развития холдинга "РЖД" до 2030 года» и «Энергетической стратегией ОАО "РЖД" на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года», предусматривается последовательное снижение удельного расхода электроэнергии на тягу поездов: если уровень 2012 года принять за 100%, то к 2030 году он должен составить 94,1%.

Поставленная задача носит системный характер и требует для своего решения принятия целого комплекса мер. Прежде всего, необходимо постепенно переходить к производству электровозов нового поколения, имеющих более высокое значение КПД в номинальном режиме. Такой переход предусмотрен документом «Типы и основные параметры локомотивов» (№747р от 27.11.2002 г.), во исполнение которого промышленностью начат выпуск пассажирских и грузовых электровозов с асинхронным тяговым приводом (АТП). В настоящее время идет накопление опыта их эксплуатации. Существенный вклад в экономию энергетических ресурсов может внести также внедрение систем энергооптимального автоведения поездов.

Однако анализ эксплуатационных показателей энергетической эффективности пассажирских электровозов с АТП в реальных режимах движения показывает, что они в ряде случаев не находятся на должном уровне. Причина заключается в том, что двухсистемные электровозы ЭП20 ведут поезда без смены локомотива на всем протяжении маршрута (около 1800 км для линии Москва – Адлер), который проходит по территориям с самым разнообразным рельефом местности и состоянием пути, где имеются ограничения по скорости, а вес поезда в осенне-зимний период меньше расчетного. Как следствие, электровоз длительное время работает с частичной нагрузкой и его энергоэффективность далека от номинальной.

Степень разработанности темы исследования. Проблема недоиспользования доступной мощности локомотива при легком профиле пути и небольшой скорости движения, для неполновесных и порожних составов, неоднократно поднималась в связи с грузовыми перевозками, поскольку многие участки железных дорог характерны неравномерностью грузопотоков в четном и нечетном направлениях.

Применительно к пассажирским перевозкам, где, в отличие от грузовых, масса состава изменяется незначительно, проблема энергетической эффективности встала со всей остротой лишь после начала работы электровоза ЭП20, длительная мощность которого составляет 6600 кВт и позволяет вести поезд из 24 вагонов со скоростью 160 км/ч, или поезд из 17 вагонов со скоростью 200 км/ч. В реальных условиях эксплуатации, на линии С.-Петербург – Москва коэффициент использования мощности (КИМ) электровоза в режиме тяги составляет 0,406 при средней скорости около 140 км/ч; а на перегоне Москва – Рязань КИМ в режиме тяги равен 0,156 при средней скорости около 70 км/ч.

Мощность локомотива, реализуемая в режиме тяги, определяется такими факторами, как масса и длина поезда, профиль пути и скоростной режим. Тяговый привод локомотива является многодвигательным, и для реализации необходимого тягового усилия в текущий момент времени целесообразно использовать минимально достаточное число двигателей. Поскольку на электровозе ЭП20 имеется возможность поосного (индивидуального) регулирования мощности каждого двигателя вплоть до его полного вывода из тяги, вопрос оперативного отключения/подключения одной или нескольких осей в автоматическом режиме может быть решен на верхнем уровне системы управления.

Объектом исследования являются пассажирские электровозы с асинхронным тяговым приводом.

Предметом исследования является энергетическая эффективность пассажирских электровозов с асинхронным тяговым приводом при питании от сети постоянного тока.

Целью работы является создание метода адаптивного автоматического управления энергетической эффективностью пассажирского электровоза с асинхронным тяговым приводом при питании от сети постоянного тока, основанного на возможности изменения числа работающих тяговых двигателей в зависимости от нагрузки, обусловленной условиями движения. Разработанные алгоритмы должны обеспечить стабилизацию мгновенных значений коэффициента полезного действия (при работе с частичной нагрузкой) на уровне его номинального значения. В результате будет достигнуто повышение энергетической эффективности локомотивной тяги.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

1. На основании критического анализа литературных источников сделан вывод о возможности повышения энергоэффективности электровоза с многодвигательным тяговым приводом путем регулирования мощности и числа работающих тяговых двигателей.

2. Выполнена обработка записей бортового регистратора, что позволило установить зависимость показателей энергоэффективности электровоза от его скорости, профиля пути и составности поезда в различных условиях движения. Путем статистической обработки массивов записей бортового регистратора получена зависимость КПД электровоза от реализуемой мощности, построена аналитическая аппроксимация полученной зависимости.

3. Разработан алгоритм адаптивного автоматического управления энергетической эффективностью пассажирского электровоза с АТП при питании от сети постоянного тока. Алгоритм обеспечивает стабилизацию мгновенных значений КПД электровоза при работе с частичной нагрузкой на уровне его номинального значения, имеющего место при полной нагрузке. Предложена структура системы управления тяговыми двигателями, включающая этот алгоритм.

4. Создана полноразмерная компьютерная модель электровоза как управляемой электромеханической системы, причем реализовано индивидуальное (поосное) регулирование силы тяги. Построена компьютерная модель пассажирского поезда, включающего электровоз и состав, позволяющая воспроизво-

дить режим ведения поезда по конкретному участку и рассчитывать основные показатели энергопотребления.

5. Выполнено компьютерное моделирование движения пассажирского поезда по типовым участкам условных профилей длиной около 150 км, как при всех работающих тяговых двигателях, так и с использованием предлагаемого алгоритма управления энергоэффективностью путём регулирования мощности и числа тяговых двигателей. Получено, что для составов из 11 и 17 вагонов при движении со скоростью 72 км/ч экономия электроэнергии может составить 18…25%, при скорости 126 км/ч – 6…10%, на высокой скорости (180 км/ч) – в пределах 3%.

6. Сформулированы дополнительные требования, которые должны быть соблюдены при использовании предлагаемого алгоритма управления энергетической эффективностью. Изучены условия работы в контакте «колесо-рельс» для всех колесных пар, свидетельствующие об отсутствии срывов в буксование при отключении/подключении тяговых двигателей.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применены методы: статистической обработки больших массивов экспериментальных данных; формальной логики (составление алгоритмов управления); теории электрических цепей (моделирование электрической части электровоза); формальный метод Ньютона-Эйлера (моделирование механической части электровоза); компьютерного моделирования с помощью программного комплекса «Универсальный Механизм» (построение моделей электровоза и пассажирского поезда).

Достоверность полученных результатов обеспечена корректностью формулировок математических задач и компьютерных моделей, адекватностью примененных методов и специализированных программных комплексов, и подтверждается сопоставлением результатов, полученных путем компьютерного моделирования, с данными записей бортового регистратора. Различие по энергопотреблению находится в пределах несколько процентов (при всех работающих тяговых двигателях), что свидетельствует о достоверности результатов компьютерного моделирования и позволяет использовать их для оценки энергопотребления.

Основные научные результаты и положения, выносимые автором на защиту:

1. Зависимость КПД электровоза от развиваемой им мощности, полученная путем статистической обработки записей бортового регистратора; аналитическая аппроксимация полученной зависимости.

2. Алгоритм адаптивного автоматического управления энергетической эффективностью пассажирского электровоза с АТП при питании от сети постоянного тока, который обеспечивает стабилизацию мгновенных значений КПД электровоза при работе с частичной нагрузкой на уровне его номинального значения.

3. Полноразмерная компьютерная модель пассажирского электровоза с
АТП как управляемой электромеханической системы, при наличии индивиду
ального (поосного) регулирования силы тяги. Компьютерная модель пассажир-

ского поезда, включающего электровоз и состав, позволяющая воспроизводить режим ведения поезда по конкретному участку и рассчитывать основные показатели энергопотребления.

4. Сопоставление результатов, полученных путем компьютерного модели
рования движения поезда, с данными записей бортового регистратора. Разли
чие по энергопотреблению не превышает нескольких процентов (при всех ра
ботающих тяговых двигателях).

5. Оценки повышения энергетической эффективности, полученные для
движения пассажирского поезда с различными скоростями по типовым участ
кам условных профилей при использовании предлагаемого алгоритма.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

3. Впервые, путем обработки экспериментальных данных, получена зависимость КПД пассажирского электровоза с АТП от развиваемой им мощности.

4. Создан алгоритм адаптивного автоматического управления энергоэффективностью пассажирского электровоза с АТП при питании от сети постоянного тока, обеспечивающий стабилизацию мгновенных значений КПД электровоза при работе с частичной нагрузкой на уровне его номинального значения.

5. Разработана компьютерная модель пассажирского электровоза с АТП при питании от сети постоянного тока при наличии поосного (индивидуального) регулирования тяговых двигателей.

6. Разработана компьютерная модель пассажирского поезда, позволяющая воспроизводить режим ведения поезда по конкретному участку и рассчитывать основные показатели энергопотребления. Достоверность результатов, полученных путем компьютерного моделирования, подтверждена тем, что для конкретных участков расхождение по энергопотреблению от записей бортового регистратора не превышает нескольких процентов (при всех работающих тяговых двигателях), что дает возможность использовать результаты компьютерного моделирования для оценки энергопотребления.

Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая значимость работы состоит, главным образом, в установлении зависимости КПД электровоза от развиваемой им мощности и в разработанном алгоритме управления энергетической эффективностью, который может быть распространен не только на пассажирские, но и на грузовые электровозы. Практическая ценность заключается в получении значительного экономического эффекта за счет снижения потребления электроэнергии на локомотивную тягу. Применение предлагаемого алгоритма управления энергоэффективностью путём регулирования мощности и числа тяговых двигателей позволяет, согласно полученным оценкам, обеспечить экономию электроэнергии порядка 18…25% на скорости 72 км/ч; 6…10% – на скорости 126 км/ч, и в пределах 3% – на скорости 180 км/ч. Экономия обеспечивается за счет стабилизации мгновенных значений КПД электровоза при работе с частичной нагрузкой на уровне его номинального значения, имеющего место при полной нагрузке. Например, при использовании предлагаемого алгоритма, потребление электрической энергии на участке

Москва – Рязань может быть сокращено более чем на 25% без отклонений от графика.

Результаты диссертации реализованы в виде алгоритмов и программного обеспечения, которые используются в ООО «Технологии рельсового транспорта» (совместное предприятие ЗАО «ТрансМашХолдинг» и фирмы «Alstom») при проектировании систем управления новых электровозов, о чем имеется акт внедрения.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международных научно-практических конференциях «Транспорт – 2014, 2015, 2016» – Ростов н/Д, РГУПС, 2014-16; II и III научно-технических семинарах «Компьютерное моделирование в железнодорожном транспорте: вопросы динамики, прочности и износа» – Брянск, БГТУ, 2014-2016; VI International Scientific Conference «Transport Problems-2014» – Katowice (Poland), Silesian University of Technology, 2014; II Международной научно-технической конференции «Локомотивы XXI век» – СПб: Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, 2014; Международной научно-практической конференции «Перспективы развития и эффективность функционирования транспортного комплекса Юга России» – Ростов н/Д, РГУПС, 2014; Международной научно-технической конференции «Энергетика транспорта. Актуальные проблемы и задачи» – Ростов н/Д, РГУПС, 2015; VIII Международном симпозиуме «Электрификация, развитие электроэнергетической инфраструктуры и электрического подвижного состава скоростного и высокоскоростного железнодорожного транспорта» (Элтранс-2015) – СПб: Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, 2015; выездном заседании секции «Локомотивное хозяйство» НТС ОАО «РЖД» – Новочеркасск, ООО ПК НЭВЗ, 10.06.2015; заседании кафедры «Тяговый подвижной состав» Российской открытой академии транспорта ФГБОУ ВО «Московский государственный университет путей сообщения Императора Николая II», 26.11.2015.

Работа полностью доложена и обсуждена 3 июня 2016 г. на совместном заседании кафедр «Локомотивы и локомотивное хозяйство» и «Электрические машины и аппараты» с приглашением специалистов других кафедр ФГБОУ ВО «Ростовский государственный университет путей сообщения».

Публикации. Основные положения опубликованы в 16 работах, из них 4 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, и 2 статьи в журналах, входящих в базу Scopus. Подана заявка на патент на изобретение № 2015139252/11(060332).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа общим объемом 121 страница состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения.

Особенности силовой схемы пассажирских электровозов с асинхронным тяговым приводом

Основные принципы энергосбережения едины для любых энергоустановок, в том числе для локомотивов [3]: - из технических средств и технологий должны применяться только те, которые реализуют наивысший КПД при наименьших затратах на ТЭР; - режим работы технических средств должен быть близок к номинальному, обеспечивающему реализацию наивысшего КПД установки или технологического процесса; - при отсутствии рабочего режима энергоустановка должна быть отключена или переведена в режим минимального потребления энергии холостого хода (при невозможности отключения её по условиям технологического процесса). Проблема недоиспользования доступной мощности локомотивов при легком профиле пути и небольшой скорости движения, для неполновесных и порож 16 них составов, неоднократно поднималась в связи с грузовыми перевозками, поскольку многие участки железных дорог характерны неравномерностью грузопотоков в четном и нечетном направлениях.

Идея экономии электроэнергии на тягу поездов за счет частичного отключения тяговых двигателей многосекционных электровозов, т. е. за счет регулирования величины используемой части установленной мощности, регулярно обсуждается в технической литературе, начиная с 50-х - 60-х годов XX века. По этому поводу аргументировались и высказывались самые разные точки зрения.

Отметим работы таких авторов, как О.А. Некрасов, В.И. Рахманинов [7, 23], П.И. Борцов, З.М. Дубровский, А.С. Курбасов, Х.Я. Быстрицкий [8], Г.Я. Классен, Р.Я. Медлин, СМ. Рождественский, Ю.А. Усманов [9, 22], А.А. Варламов, Н.Г. Тарасов [10], Г.К. Гетьман и др. [11-14, 31, 32], В.Л. Закорюкин, В.И. Гончаров [15], П.Ю. Красовский [16], ВТ. Кузнецов, О.М. Полях, А.О. Полях [17, 18], В. Ф. Кулиш [19], В. А. Легостаев [20], И.О. Логвинова [21], О.И. Саблин, О. И. Бондарь [24], В. Dalla Chiara, R. Ricagno, M. Santarelli [25], A. Muller [26], M. Netz [27], M. Niessen, J. Schaarschmidt [28], B.A. Сенаторов [29], B.M. Бабич, A.H. Крыгин [30], СВ. Сорокин, B.B. Ширяев [33], О.И. Саблин, В.В. Артемчук [34] и других.

В работе А.В. Заручейского, Р.В. Мурзина, В.А. Кучумова, Н.Б. Никифоровой [35], опубликованной в 2014 году, отмечается, что на железных дорогах нашей страны существует резкая неравномерность перевозок. Ранее, при уменьшении объема перевозок часть электровозов отставлялась в запас. Сейчас очень дорогие электровозы нового поколения, построенные при участии зарубежных фирм, реально отставить в запас невозможно, и они эксплуатируются с уменьшенными суточными пробегами и уменьшенными массами поездов.

До недавних пор в нашей стране у вновь выпускаемых электровозов ставилась задача съема максимально возможной мощности с колеса. Между тем, даже в благоприятные периоды, максимально загруженные поезда составляли всего лишь порядка 40-50%. Ставилась задача - любой электровоз обеспечивает тягой состав произвольной массы в заданных пределах. Задача подборки электровоза к составу без увеличения количества электровозов в настоящих условиях может ставиться только при применении специализированных систем управления обеспечением тяги.

Создание на рубеже 70-х - 80-х годов прошлого века асинхронного тягового привода открыло возможность увеличения мощности электровозов и создания универсального грузопассажирского электровоза. Опыт эксплуатации таких электровозов за рубежом показал, что для грузовых перевозок мощный электровоз со сложной экипажной частью является избыточным и дорогим. В то же время для пассажирских перевозок необходимы более мощные и скоростные электровозы.

Учитывая, что основную долю в годовых эксплуатационных затратах грузовых электровозов составляют затраты на электроэнергию, одним из основных направлений совершенствования грузовых электровозов было и остается снижение удельного расхода электроэнергии и, в частности, при вождении неполновесных поездов. Из известных технических решений следует отметить отключение секций электровозов или некоторой части тяговых двигателей на электровозе. Эти подходы были исследованы ранее, однако в силу ограниченных возможностей регулирования ТЭД не удавалось достичь приемлемых результатов. Современные электровозы с управляемыми преобразователями позволяют вновь вернуться к этому вопросу (курсив мой - A3.).

Создание современных электровозов, в том числе с асинхронным тяговым приводом и широкими возможностями регулирования тягового привода, микропроцессорными системами управления, требует актуализации ранее применявшихся подходов, ранжирования их по степени влияния на конечный результат -повышение эффективности эксплуатации электровоза.

Поскольку тяговый привод локомотива является многодвигательным, для реализации необходимого тягового усилия нужно использовать минимально достаточное число двигателей, отключая избыточные.

Как отмечено в диссертации СВ. Сорокина [36] (научный руководитель д.т.н., профессор В.П. Феоктистов), недоиспользование установленной мощности электрооборудования многоосных и многосекционных электровозов ведет к снижению их эксплуатационного КПД, и следовательно, к росту удельного энергопо 18 требления на тягу поездов. Причины этого связаны, прежде всего, с недоиспользованием многосекционных электровозов по мощности при вождении неполновесных составов, особенно при движении на легких элементах профиля пути. Из анализа экспериментальных данных следует, что посекционное регулирование трехсекционного электровоза ВЛ80С и регулирование мотор-вентиляторов кузовного электрооборудования обеспечивает снижение энергозатрат: при вождении угольных маршрутов массой 6000 т, на отдельных перегонах до 7%, а в целом на тяговом плече Экибастуз-Целиноград около 1,5-2,5%; при вождении порожних составов массой 1300-1600 т, на отдельных перегонах до 9%, а в целом по участку около 7-8%.

В диссертационной работе А.Н. Крыгина [37] (научный руководитель к.т.н., профессор В.М. Бабич) указано, что ряд участков 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, и повышение эксплуатационного КПД электровозной тяги. Диапазон изменения КПД в режиме тяги охватывает значения от 0,3 до 0,86. Установлено, что повышение энергетической эффективности электровозов возможно, если применять 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. Экономия составляет до 4... 5%.

В диссертации Д.В. Мурзина [38] (научный руководитель д.т.н., профессор В.Н. Лисунов) отмечено, что высокий КПД тяговых двигателей находится в узком диапазоне токовых нагрузок, близких к номинальным, и его реализация возможна только при большой массе состава и трудном профиле пути. Именно на такие условия работы рассчитаны все эксплуатируемые грузовые электровозы. При вождении легких поездов, доля которых на отдельных участках может быть 50% и более, особенно на равнинном профиле пути, мощность электровоза недоиспользуется. В этом случае КПД тяговых двигателей и электровоза в целом получается невысоким, а удельный расход электроэнергии большой.

Аналогичная точка зрения высказана в диссертации СВ. Фадеева [39]. Указывается, что необходимо наметить и обосновать мероприятия, сводящиеся к улучшению использования электровозов в реальной ситуации, когда тяговое электрооборудование основную долю времени работает в режимах малой нагрузки. К таким мероприятиям можно отнести изменение числа работающих тяговых двигателей или секций в зависимости от массы поезда и профиля пути.

А.Е. Пыровым для решения проблемы была предложена «Система оперативного регулирования мощности локомотива» (ОРМЛ), направленная на оптимизацию режима ведения поездов, масса и скорость движения которых меняется в широких пределах [40]. Посекционное регулирование применялось главным образом на грузовых электровозах ВЛ80С, работающих по системе многих единиц, и других. Мощность регулировалась машинистом вручную в зависимости от режима работы за счет оперативного отключения/включения тяговых двигателей по группам.

Считаем необходимым отметить, что мощность локомотива в режиме тяги определяется такими объективными факторами, как масса и длина поезда, профиль пути и скоростной режим, поэтому формулировка «оперативное регулирование мощности локомотива» не совсем точна. Правильнее было бы говорить об управлении энергетической эффективностью локомотива, развивающего мощность, обусловленную условиями движения, за счет регулирования числа тяговых осей.

Ключом к энергосбережению является приведение любой энергоустановки в соответствие с номинальными параметрами по нагрузке, ориентированными на максимальный уровень КПД [3]. Сказанное в наибольшей степени относится к локомотивам нового поколения, оснащенным бесколлекторными (в частности, асинхронными) тяговыми двигателями, единичная мощность которых в полтора и

более раз превышает мощность коллекторных двигателей. За счёт перехода на асинхронный тяговый привод и применения интеллектуальных систем управления и энергосберегающего тягового оборудования, предусматривается обеспечить уменьшение удельного расхода электроэнергии электровозами на 5... 10%.

В [41] отмечено, что при применении бесколлекторного тягового привода актуальным становится вопрос об обеспечении нагрузки тягового оборудования, близкой к номинальной (регулирование числа работающих тяговых двигателей в зависимости от загрузки электровоза, в том числе и на разных участках пути).

Получение эксплуатационных показателей энергетической эффективности путем обработки записей бортового регистратора

Основные принципы энергосбережения едины для любых энергоустановок, в том числе для локомотивов [3]: - из технических средств и технологий должны применяться только те, которые реализуют наивысший КПД при наименьших затратах на ТЭР; - режим работы технических средств должен быть близок к номинальному, обеспечивающему реализацию наивысшего КПД установки или технологического процесса; - при отсутствии рабочего режима энергоустановка должна быть отключена или переведена в режим минимального потребления энергии холостого хода (при невозможности отключения её по условиям технологического процесса). Проблема недоиспользования доступной мощности локомотивов при легком профиле пути и небольшой скорости движения, для неполновесных и порож 16 них составов, неоднократно поднималась в связи с грузовыми перевозками, поскольку многие участки железных дорог характерны неравномерностью грузопотоков в четном и нечетном направлениях.

Идея экономии электроэнергии на тягу поездов за счет частичного отключения тяговых двигателей многосекционных электровозов, т. е. за счет регулирования величины используемой части установленной мощности, регулярно обсуждается в технической литературе, начиная с 50-х - 60-х годов XX века. По этому поводу аргументировались и высказывались самые разные точки зрения.

Отметим работы таких авторов, как О.А. Некрасов, В.И. Рахманинов [7, 23], П.И. Борцов, З.М. Дубровский, А.С. Курбасов, Х.Я. Быстрицкий [8], Г.Я. Классен, Р.Я. Медлин, СМ. Рождественский, Ю.А. Усманов [9, 22], А.А. Варламов, Н.Г. Тарасов [10], Г.К. Гетьман и др. [11-14, 31, 32], В.Л. Закорюкин, В.И. Гончаров [15], П.Ю. Красовский [16], ВТ. Кузнецов, О.М. Полях, А.О. Полях [17, 18], В. Ф. Кулиш [19], В. А. Легостаев [20], И.О. Логвинова [21], О.И. Саблин, О. И. Бондарь [24], В. Dalla Chiara, R. Ricagno, M. Santarelli [25], A. Muller [26], M. Netz [27], M. Niessen, J. Schaarschmidt [28], B.A. Сенаторов [29], B.M. Бабич, A.H. Крыгин [30], СВ. Сорокин, B.B. Ширяев [33], О.И. Саблин, В.В. Артемчук [34] и других.

В работе А.В. Заручейского, Р.В. Мурзина, В.А. Кучумова, Н.Б. Никифоровой [35], опубликованной в 2014 году, отмечается, что на железных дорогах нашей страны существует резкая неравномерность перевозок. Ранее, при уменьшении объема перевозок часть электровозов отставлялась в запас. Сейчас очень дорогие электровозы нового поколения, построенные при участии зарубежных фирм, реально отставить в запас невозможно, и они эксплуатируются с уменьшенными суточными пробегами и уменьшенными массами поездов.

До недавних пор в нашей стране у вновь выпускаемых электровозов ставилась задача съема максимально возможной мощности с колеса. Между тем, даже в благоприятные периоды, максимально загруженные поезда составляли всего лишь порядка 40-50%. Ставилась задача - любой электровоз обеспечивает тягой состав произвольной массы в заданных пределах. Задача подборки электровоза к составу без увеличения количества электровозов в настоящих условиях может ставиться только при применении специализированных систем управления обеспечением тяги.

Создание на рубеже 70-х - 80-х годов прошлого века асинхронного тягового привода открыло возможность увеличения мощности электровозов и создания универсального грузопассажирского электровоза. Опыт эксплуатации таких электровозов за рубежом показал, что для грузовых перевозок мощный электровоз со сложной экипажной частью является избыточным и дорогим. В то же время для пассажирских перевозок необходимы более мощные и скоростные электровозы.

Учитывая, что основную долю в годовых эксплуатационных затратах грузовых электровозов составляют затраты на электроэнергию, одним из основных направлений совершенствования грузовых электровозов было и остается снижение удельного расхода электроэнергии и, в частности, при вождении неполновесных поездов. Из известных технических решений следует отметить отключение секций электровозов или некоторой части тяговых двигателей на электровозе. Эти подходы были исследованы ранее, однако в силу ограниченных возможностей регулирования ТЭД не удавалось достичь приемлемых результатов. Современные электровозы с управляемыми преобразователями позволяют вновь вернуться к этому вопросу (курсив мой - A3.).

Создание современных электровозов, в том числе с асинхронным тяговым приводом и широкими возможностями регулирования тягового привода, микропроцессорными системами управления, требует актуализации ранее применявшихся подходов, ранжирования их по степени влияния на конечный результат -повышение эффективности эксплуатации электровоза.

Компьютерная модель механической части

Создание современных электровозов, в том числе с асинхронным тяговым приводом и широкими возможностями регулирования тягового привода, микропроцессорными системами управления, требует актуализации ранее применявшихся подходов, ранжирования их по степени влияния на конечный результат -повышение эффективности эксплуатации электровоза.

Поскольку тяговый привод локомотива является многодвигательным, для реализации необходимого тягового усилия нужно использовать минимально достаточное число двигателей, отключая избыточные.

Как отмечено в диссертации СВ. Сорокина [36] (научный руководитель д.т.н., профессор В.П. Феоктистов), недоиспользование установленной мощности электрооборудования многоосных и многосекционных электровозов ведет к снижению их эксплуатационного КПД, и следовательно, к росту удельного энергопо 18 требления на тягу поездов. Причины этого связаны, прежде всего, с недоиспользованием многосекционных электровозов по мощности при вождении неполновесных составов, особенно при движении на легких элементах профиля пути. Из анализа экспериментальных данных следует, что посекционное регулирование трехсекционного электровоза ВЛ80С и регулирование мотор-вентиляторов кузовного электрооборудования обеспечивает снижение энергозатрат: при вождении угольных маршрутов массой 6000 т, на отдельных перегонах до 7%, а в целом на тяговом плече Экибастуз-Целиноград около 1,5-2,5%; при вождении порожних составов массой 1300-1600 т, на отдельных перегонах до 9%, а в целом по участку около 7-8%.

В диссертационной работе А.Н. Крыгина [37] (научный руководитель к.т.н., профессор В.М. Бабич) указано, что ряд участков 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, и повышение эксплуатационного КПД электровозной тяги. Диапазон изменения КПД в режиме тяги охватывает значения от 0,3 до 0,86. Установлено, что повышение энергетической эффективности электровозов возможно, если применять 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. Экономия составляет до 4... 5%.

В диссертации Д.В. Мурзина [38] (научный руководитель д.т.н., профессор В.Н. Лисунов) отмечено, что высокий КПД тяговых двигателей находится в узком диапазоне токовых нагрузок, близких к номинальным, и его реализация возможна только при большой массе состава и трудном профиле пути. Именно на такие условия работы рассчитаны все эксплуатируемые грузовые электровозы. При вождении легких поездов, доля которых на отдельных участках может быть 50% и более, особенно на равнинном профиле пути, мощность электровоза недоиспользуется. В этом случае КПД тяговых двигателей и электровоза в целом получается невысоким, а удельный расход электроэнергии большой.

Аналогичная точка зрения высказана в диссертации СВ. Фадеева [39]. Указывается, что необходимо наметить и обосновать мероприятия, сводящиеся к улучшению использования электровозов в реальной ситуации, когда тяговое электрооборудование основную долю времени работает в режимах малой нагрузки. К таким мероприятиям можно отнести изменение числа работающих тяговых двигателей или секций в зависимости от массы поезда и профиля пути.

А.Е. Пыровым для решения проблемы была предложена «Система оперативного регулирования мощности локомотива» (ОРМЛ), направленная на оптимизацию режима ведения поездов, масса и скорость движения которых меняется в широких пределах [40]. Посекционное регулирование применялось главным образом на грузовых электровозах ВЛ80С, работающих по системе многих единиц, и других. Мощность регулировалась машинистом вручную в зависимости от режима работы за счет оперативного отключения/включения тяговых двигателей по группам.

Считаем необходимым отметить, что мощность локомотива в режиме тяги определяется такими объективными факторами, как масса и длина поезда, профиль пути и скоростной режим, поэтому формулировка «оперативное регулирование мощности локомотива» не совсем точна. Правильнее было бы говорить об управлении энергетической эффективностью локомотива, развивающего мощность, обусловленную условиями движения, за счет регулирования числа тяговых осей.

Ключом к энергосбережению является приведение любой энергоустановки в соответствие с номинальными параметрами по нагрузке, ориентированными на максимальный уровень КПД [3]. Сказанное в наибольшей степени относится к локомотивам нового поколения, оснащенным бесколлекторными (в частности, асинхронными) тяговыми двигателями, единичная мощность которых в полтора и более раз превышает мощность коллекторных двигателей. За счёт перехода на асинхронный тяговый привод и применения интеллектуальных систем управления и энергосберегающего тягового оборудования, предусматривается обеспечить уменьшение удельного расхода электроэнергии электровозами на 5... 10%.

В [41] отмечено, что при применении бесколлекторного тягового привода актуальным становится вопрос об обеспечении нагрузки тягового оборудования, близкой к номинальной (регулирование числа работающих тяговых двигателей в зависимости от загрузки электровоза, в том числе и на разных участках пути).

Оценка показателей энергоэффективности при движении по участкам с условным профилем

Актуальность темы исследования. В соответствии со «Стратегией развития холдинга "РЖД" до 2030 года» и «Энергетической стратегией ОАО "РЖД" на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года», предусматривается последовательное снижение удельного расхода электроэнергии на тягу поездов: если уровень 2012 года принять за 100%, то к 2030 году он должен составить 94,1%.

Поставленная задача носит системный характер и требует для своего решения принятия целого комплекса мер. Прежде всего, необходимо постепенно переходить к производству электровозов нового поколения, имеющих более высокое значение КПД в номинальном режиме. Такой переход предусмотрен документом «Типы и основные параметры локомотивов» (№747р от 27.11.2002 г.), во исполнение которого промышленностью начат выпуск пассажирских и грузовых электровозов с асинхронным тяговым приводом (АТП). В настоящее время идет накопление опыта их эксплуатации. Существенный вклад в экономию энергетических ресурсов может внести также внедрение систем энергооптимального автоведения поездов.

Однако анализ эксплуатационных показателей энергетической эффективности пассажирских электровозов с АТП в реальных режимах движения показывает, что они в ряде случаев не находятся на должном уровне. Причина заключается в том, что двухсистемные электровозы ЭП20 ведут поезда без смены локомотива на всем протяжении маршрута (около 1800 км для линии Москва - Адлер), который проходит по территориям с самым разнообразным рельефом местности и состоянием пути, где имеются ограничения по скорости, а вес поезда в осенне-зимний период меньше расчетного. Как следствие, электровоз длительное время работает с частичной нагрузкой и его энергоэффективность далека от номинальной.

Степень разработанности темы исследования. Проблема недоиспользования доступной мощности локомотива при легком профиле пути и небольшой скорости движения, для неполновесных и порожних составов, неоднократно поднималась в связи с грузовыми перевозками, поскольку многие участки железных дорог характерны неравномерностью грузопотоков в четном и нечетном направлениях.

Применительно к пассажирским перевозкам, где, в отличие от грузовых, масса состава изменяется незначительно, проблема энергетической эффективности встала со всей остротой лишь после начала работы электровоза ЭП20, длительная мощность которого составляет 6600 кВт и позволяет вести поезд из 24 вагонов со скоростью 160 км/ч, или поезд из 17 вагонов со скоростью 200 км/ч. В реальных условиях эксплуатации, на линии С.-Петербург - Москва коэффициент использования мощности (КИМ) электровоза в режиме тяги составляет 0,406 при средней скорости около 140 км/ч; а на перегоне Москва - Рязань, КИМ в режиме тяги равен 0,156 при средней скорости около 70 км/ч.

Мощность локомотива, реализуемая в режиме тяги, определяется такими факторами, как масса и длина поезда, профиль пути и скоростной режим. Тяговый привод локомотива является многодвигательным, и для реализации необходимого тягового усилия в текущий момент времени целесообразно использовать минимально достаточное число двигателей. Поскольку на электровозе ЭП20 имеется возможность поосного (индивидуального) регулирования мощности каждого двигателя вплоть до его полного вывода из тяги, вопрос оперативного отключения/подключения одной или нескольких осей в автоматическом режиме может быть решен на верхнем уровне системы управления.

Объектом исследования являются пассажирские электровозы с асинхронным тяговым приводом.

Предметом исследования является энергетическая эффективность пассажирских электровозов с асинхронным тяговым приводом при питании от сети постоянного тока.

Целью работы является создание метода адаптивного автоматического управления энергетической эффективностью пассажирского электровоза с асинхронным тяговым приводом при питании от сети постоянного тока, основанного на возможности изменения числа работающих тяговых двигателей в зависимости от нагрузки, обусловленной условиями движения. Разработанные алгоритмы должны обеспечить стабилизацию мгновенных значений коэффициента полезного действия (при работе с частичной нагрузкой) на уровне его номинального значения. В резуль-тате будет достигнуто повышение энергетической эффективности локомотивной тя-ги.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

1. На основании критического анализа литературных источников сделан вы-вод о возможности повышения энергоэффективности электровоза с многодвига-тельным тяговым приводом путем регулирования мощности и числа работающих тяговых двигателей.

2. Выполнена обработка записей бортового регистратора, что позволило уста-новить зависимость показателей энергоэффективности электровоза от его скорости, профиля пути и составности поезда в различных условиях движения. Путем стати-стической обработки массивов записей бортового регистратора получена зависи-мость КПД электровоза от реализуемой мощности, построена аналитическая аппроксимация полученной зависимости.

3. Разработан алгоритм адаптивного автоматического управления энергетической эффективностью пассажирского электровоза с АТП при питании от сети постоянного тока. Алгоритм обеспечивает стабилизацию мгновенных значений КПД электровоза при работе с частичной нагрузкой на уровне его номинального значения, имеющего место при полной нагрузке. Предложена структура системы управ-ления тяговыми двигателями, включающая этот алгоритм.

4. Создана полноразмерная компьютерная модель электровоза как управляемой электромеханической системы, причем реализовано индивидуальное (поосное) регулирование силы тяги. Построена компьютерная модель пассажирского поезда, включающего электровоз и состав, позволяющая воспроизводить режим ведения поезда по конкретному участку и рассчитывать основные показатели энергопотребления.

5. Выполнено компьютерное моделирование движения пассажирского поезда по типовым участкам условных профилей длиной около 150 км, как при всех работающих тяговых двигателях, так и с использованием предлагаемого алгоритма управления энергоэффективностью путём регулирования мощности и числа тяговых двигателей. Получено, что для составов из 11 и 17 вагонов при движении со скоростью 72 км/ч экономия электроэнергии может составить 18...25%, при скорости 126 км/ч - 6... 10%, на высокой скорости (180 км/ч) - в пределах 3%.

6. Сформулированы дополнительные требования, которые должны быть соблюдены при использовании предлагаемого алгоритма управления энергетической эффективностью. Изучены условия работы в контакте «колесо-рельс» для всех колесных пар, свидетельствующие об отсутствии срывов в буксование при отключении/подключении тяговых двигателей.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применены методы: статистической обработки больших массивов экспериментальных данных; формальной логики (составление алгоритмов управления); теории электрических цепей (моделирование электрической части электровоза); формальный метод Ньютона-Эйлера (моделирование механической части электровоза); компьютерного моделирования с помощью программного комплекса «Универсальный механизм» (построение моделей электровоза и пассажирского поезда).