Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Электрифицированные железные дороги Узбекистана 9
1.1 Общая характеристика железных дорог Узбекистана 9
1.2 Электроподвижной состав республики Узбекистан 15
1.2.1 Грузопассажирский электровоз «Узбекистон - UTY-1» 15
1.2.2 Пассажирский электровоз «Узбекистон-ШТ-2» 19
1.2.3 Электропоезд Talgo 250. 25
1.2.4 Локомотивное депо "Узбекистон" 29
Выводы к главе 1 33
Глава 2. Четырехквадрантный преобразователь 34
2.1 История появления и развития преобразователя 34
2.2 Тяговый преобразователь с Aq-S 38
2.3 Регулирование коэффициента мощности 45
2.4 Моделирование цепи питания тягового двигателя 47
2.4.1 Программная среда MatLab 47
2.4.2 Моделирование преобразователя 51
Выводы к главе 2. 56
Глава 3. Тяговые расчеты электровозов 58
3.1. Спрямление профиля Тукимачи-Ангрен 58
3.2. Определение расчетной массы состава 59
3.3. Проверка массы состава по условиям трогания с места 63
3.4. Проверка массы состава по длине приемоотправочных путей 64
3.5. Определение допустимых скоростей движения по элементам профиля 65
3.6. Тяговые расчеты для перегона Тукумачи-Ангрен 66
3.7. Определение удельного расхода электроэнергии 71
Выводы к главе 3 74
Выводы по диссертации 75
Приложение 77
Список литературы 99
- Общая характеристика железных дорог Узбекистана
- Локомотивное депо "Узбекистон"
- Программная среда MatLab
- Тяговые расчеты для перегона Тукумачи-Ангрен
Введение к работе
Актуальность проблемы. Сегодняшний Узбекистан - это государство, идущее по пути рыночных преобразований, имеющее развитое сельское хозяйство и мощный промышленный потенциал. Республика Узбекистан делится на два типа местности: западная равнинная и восточная горная. Крупные города и промышленные предприятия располагаются в основном в восточной части. Поэтому железные дороги в этом регионе имеют большую загруженность и электрификация железных дорог и повышение скорости движения целесообразно в первую очередь в восточной части.
На пассажирский поток оказывают влияние потока туристов, для привлечения которых целесообразно повышать скорость на направлениях от Ташкента до Самарканда, а в дальнейшем и до Бухары.
В Узбекистане широко развита горнодобывающая промышленность и металлургия, что требует обеспечения большого объема грузовых перевозок в восточной части, где построены гидроэлектростанции. Это сделало возможным и целесообразным электрификацию железных дорог в этой части Республики.
Для обеспечения перевозок на электрифицированных железных дорогах Узбекистана необходима замена существующего парка электровозов ВЛ60 и ВЛ80 на новые электровозы и электропоезда, позволяющие реализовать более высокие скорости и рекуперативное торможение в горной местности.
Электровозы нового поколения, изготовленные по патенту фирмы Siemens AG, эксплуатируются не давно, и новым в данной работе является оценка их тяговых свойств на конкретном участке с возможностью регулирования коэффициента мощности.
Цель работы проанализировать эффективность применения
электровозов с четырехквадрантным преобразователем на железных дорогах Узбекистана.
Основные задачи исследования:
-разработать модель цепи четырехквадрантного преобразователя.
-выполнить анализ тягово-энергетических характеристик на новом участке с крутыми подъемами и спусками для электровозов "Узбекистон -UTY-1", "Узбекистон - UTY-2" с высоким коэффициентом мощности, а также с электровозом ВЛбОк с грузовым и пассажирским составом.
-дать предложения по выбору электровоза в этих условиях.
На защиту выносятся:
- модель цепи питания асинхронного тягового двигателя электровоза "Узбекистон-UTY-2".
-результаты анализа тягово-энергетических свойств электровозов серий "Узбекистон - UTY-1" и "Узбекистон - UTY-2", выполненных для участка Тукимачи-Ангрен.
Методы исследования:
Выполненная работа базируется на основных законах и положениях теоретических основ электротехники, электрических машин, теории электрической тяги. При выполнении работы использованы методы математического моделирования с применением ЭВМ. Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением результатов расчета расхода энергии с данными опытной эксплуатации на участке Тукимачи -Ангрен.
Научная новизна работы:
1. Оценка влияния особенностей четырехквадрантного преобразователя на тягово-энергетические показатели электровозов серии "Узбекистон-UTY-1", "Узбекистон-UTY- 2".
Практическая ценность:
І.Даньї оценки энергетических показателей при использовании на участке Тукимачи - Ангрен электровозов с Aq-S преобразователем.
2. Разработаны рекомендации по применению грузопассажирского электровоза "Узбекистан - UTY-1" для осуществления как пассажирских, так и грузовых перевозок на рассмотренном участке .
Апробация работы: В течении всего периода этапы и результаты работы диссертационной работы докладывались : на научно-технической конференции "Шаг в будущее" (неделя науки), заседаниях кафедры «Электрическая тяга», конференция «Современные технологии транспорта». ПГУПС, 2009 год.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатных работы, из них две в издании, рекомендованном ВАК по специальности 05.22.07-подвижной состав железных дорог, тяга поездов, электрификация.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, списка литературы из 29 наименований, заключения и приложений. Работа содержит 101 страницы основного текста, 39 рисунков, 15 таблиц.
Общая характеристика железных дорог Узбекистана
Железная дорога играет одну из основных ролей в перевозках в Узбекистане. В настоящее время общая протяженность железных дорог в Узбекистане 3986 километров. Крупнейший транспортный узел Узбекистана -станция Тащкент -имеет международное значение. Отсюда поезда уходят в четырех направлениях. Железная дорога Тащкент -Ангрен была проложена в 40-е гг. минувшего столетия в целях разработки залежей каменного угля, а железная дорога Джизак - Самарканд протяженностью 110 км проложена в 1957 г. В 1952—1955 гг. была построена железная дорога Чарджоу - Кунград. Она связала Каракалпакстан, Хорезмскую и Ташаузскую области с соседними республиками центрально-азиатского региона и через Казахстан - с Российской Федерацией.
Электрификация участков Ташкент - Янгиюль - Чиназ - Сырдарья -Гулистан стала первым шагом в этом направлении (рис. 1). В последующем были электрифицированы участки кольцевой железной дороги Ташкент -Келес - Назарбек - Ташкент, а также линии Ташкент - Ходжикент, Ташкент -Ангрен. В 1993 г. была проведена электрификация линий Хавас - Бекабад и Хавас - Джизак и сданы в транспортную эксплуатацию. В результате протяженность электрифицированных участков составила 353,6 км (т. е. 8,5% железных дорог обшего пользования). Электрифицируются также часть железнодорожного участка Джизак - Самарканд. Ведутся работы по реконструкции и электрификации участков Навои - Учкудук, Султан Увайе -Нукус. Строится новая электрифицированная железная дорога Ургенч -Беруни. Строительство железнодорожного участка Гузар - Байсун -Кумкурган.
Узбекистон темир йуллари" - активный участник международных пассажирских и грузовых перевозок. Железная дорога Кунград - Бейнау -Актау, ведущая к казахскому порту Актау и через Россию в страны ЕС, является самым прямым путем из Центральной Азии в Европу. Эта магистраль стала использоваться еще интенсивнее после открытия в ноябре 2004 года железнодорожной паромной переправы Кавказ - Крым, соединивщей самым кратчайщим марщрутом юг России и Центральную Азию с Украиной и Центральной Европой.
С 1992 года регулярно эксплуатируется линия в Китай через Алматы и Урумчи; в 1996 году заработала линия кратчайщего пути к Персидскому заливу через Туркменистан и Иран, к Босфору и средиземноморским портам -через Турцию. Начинается прокладка новой железнодорожной ветки в Китай через Ферганскую долину и Кыргызстан (Андижан - Джалал-Абад - Кищи -Кащгар) протяженностью 577 километров. Сегодня Узбекистан использует щесть разных направлений железнодорожных перевозок.
А Центрально-азиатский коридор через Казахстан, Кыргызстан, Узбекистан, Туркменистан, Иран, Турцию - этот "золотой" отрезок Великого шелкового пути - ведет уже в Юго-Восточную Европу. На территории Ирана магистраль расчленяется на две ветви. Широтная идет в направлении Европы, а меридиональная - к портам Персидского залива. Функционировать Центральноазиатский коридор начал в 1996 году - после завершения строительства 300-километровой перемычки, соединившей железные дороги Центральной Азии с сетью стальных путей Ирана.
Новый коридор перспективен и для развития пассажирских перевозок. Подписан меморандум о взаимопонимании между администрациями железных дорог Ирана, Казахстана, Кыргызстана, Таджикистана, Турции, Туркменистана и Узбекистана. Документом предусматривается создание нового международного пассажирского маршрута Алматы - Ташкент -Туркменабад - Серахс - Мешхед - Тегеран. Протяженность маршрута - 3290 километров, время следования в пути - 68 часов.
Особо важную роль Центральноазиатский коридор получает в связи с развитием на Великом шелковом пути туризма.
Правительство Узбекистана ведет активную работу по строительству новых магистралей на территории страны. Железная дорога Навои - Учкудук продолжена в Нукус через Султон Увайстаг и пески пустыни Кызылкум. Прямая линия из Карши на Термез через Гузар, Байсун и Кумкурган находится в процессе строительства (прокладываемый отрезок имеет протяженность 220 километров) и была введена в эксплуатацию в 2007 году. Выходом в Ферганскую долину по территории Узбекистана станет железнодорожная ветка Ангрен - Пап протяженностью 130 километров, с длинным и сложным туннельным переходом под перевалом Камчик.
Сложные условия были преодолены и при строительстве железной дороги Учкудук - Султон Увайстаг протяженностью 230 километров. Она вывела в 2001 году стальную магистраль через барханные пески пустыни Кызылкум к берегам Амударьи, где тогда развернулось сооружение уникального моста через реку. Построенный в 2004 году, этот мост протяженностью в 681 метр является крупнейшим в Центральной Азии. С его вводом для поездов на маршруте Ташкент - Ургенч преодолеваемое расстояние сократилось на 300 километров, а время в пути на 5,5 часа. Строительство дороги Учкудук Султон Увайстаг стало важным этапом создания единой транспортной сети Республики Узбекистан.
Ведется строительство железной дороги Гузар - Байсун - Кумкурган, которая даст выход в Термез только по узбекской земле. Строятся вторые железнодорожные пути до границы с Туркменистаном, электрифицируются участки Самарканд - Бухара и Самарканд - Термез.
А участок железной дороги на маршруте Ташкент - Самарканд полностью реконструирован и электрифицирован, и уже успел завоевать признание жителей Узбекистана и иностранных туристов курсируюший по этому маршруту скоростной комфортабельный электропоезд "Регистан". В 2005 году пассажиры получили еще один подарок: скоростной фирменный поезд "Шарк" связал столицу страны с древней Бухарой. На этом маршруте используются вагоны экономического и бизнес-классов. На одном из маршрутов Великого шелкового пути (Алматы - Бишкек - Балыкчи (озеро Иссык-Куль) - Бишкек -Чимкент - Ташкент - Самарканд - Бухара - Ургенч - Хива и обратно) действует туристический поезд. Обслуживание гостей здесь на самом высоком уровне, и туристы оставляют лестные отзывы о путешествии. Большие надежды возлагаются на пробный пассажирский маршрут Алматы - Ташкент -Туркменабад - Серахс - Мешхед - Тегеран, после чего и он сможет быть задействован как туристический.
Государственно-акционерная железнодорожная компания (ГАЖК) «Узбекистон темир йуллари» завершила проект по электрификации железнодорожного участка Тукимачи-Ангрен, что позволило полностью электрифицировать весь региональный железнодорожный узел Ташкент протяженностью 114 км. Цель проекта - замена существующей дизельной тяги на электротягу переменного тока. Вместо работающих на дизельном топливе локомотивов на линию выйдут современные электровозы, о которых будет говорится далее.
Проект осуществлен в рамках Комплексной программы модернизации железнодорожной отрасли на 2009—2013 годы. Его стоимость составляет 85,4 млн. долларов США. Для покупки современного оборудования и выполнения необходимых работ использовались собственные средства компании, а также кредиты, предоставленные Германским банком развития KfW и Кувейтским фондом арабского экономического развития. В реализации проекта принимали участие НПО «Мостовик» (Россия), консорциум CNTIC-EEB (Китай), консорциум InterEng Messtechnik Dmbh — ZTE (Германия — Китай) и компания Белам - Рига (Латвия), которые выступали в роли подрядчиков и поставщиков оборудования. Иностранные специалисты обеспечили сдачу объектов «под ключ», научили узбекских железнодорожников эксплуатировать установленное оборудование. Помимо этого, чтобы эффективно работать с новыми технологиями, молодые сотрудники ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» прошли обучение за рубежом. [26]
В ходе реализации проекта было осуществлено строительство трех мостов общей протяженностью 265 метров, установлено 2258 электрических опор и смонтированы необходимые элементы контактной сети и линии электропередачи. Система энергоснабжения позволяет вести автоматизированный учет электрической энергии и рассчитана на движение поездов со скоростью 160 километров в час.
Локомотивное депо "Узбекистон"
Для поддержания локомотивов в исправном состоянии, обеспечение устойчивой работы и повышение их надежности в эксплуатации приказом председателя компании - "Узбекистан Темир Йуллари”. Государственная акционерная железнодорожная компания -№161-Н от 11.09.2000 г установлены следующие виды планово-предупредительного технического обслуживание и ремонта электровозов.
Техническое обслуживание: ТО-1, ТО-2, ТО-3 - для предупреждения появления неисправностей и подержания локомотивов в работоспособном и санитарно-гигиеническом состоянии, обеспечивающие их бесперебойную работу и безопасность движения.
Техническое обслуживание ТО-4 - для обточки бандажей колесных пар без выкатки их из-под локомотивов с целью поддержания оптимальных геометрических характеристик, отвечающие требованием безопасности движения.
Текущие ремонты ТР-1, ТР-3 - для восстановления основных эксплуатационных характеристик и работоспособности локомотивов в соответствующих межремонтных периодах путем ревизии, ремонта и замены отдельных деталей, узлов и агрегатов, регулировки и испытания, а также частичной модернизации.
Текущий ремонт ТР-1 - для восстановления эксплуатационных характеристик и работоспособности локомотивов путем ревизии, ремонта и замены отдельных деталей, узлов и агрегатов, а также подъема кузова электровозов.
Капитальный ремонт КР-1 - для восстановления эксплуатационных характеристик, исправности и межремонтного ресурса (срока службы) путем замены, ремонта изнощенных и поврежденных агрегатов, узлов и деталей, их модернизации.
Капитальный ремонт КР-2 - для восстановления эксплуатационных характеристик, исправности и полного межремонтного ресурса (срока службы), а также модернизации всех агрегатов, узлов и деталей, включая базовые, полной замены на новые проводов, кабелей и оборудования с выработанным моторееурсом (по установленному перечню).
Капитальные ремонты КР-1 и КР-2 локомотивов выполняется на специализированных локомотиворемонтных заводах. Для локомотивов Республики Узбекистан на ПО “Узжелдорреммаш”.
Перечень цехов имеющийся в депо Узбекистан (рис. 2.15);
1. Учебный центр;
2. ЦехМВПС;
3. ПТО;
4. Дежурный по депо и тренажерный зал;
5. Проходная, 1-й пост;
Для обеспечения обслуживания новых электропоездов Была проделана частичная модернизация цеха ТР-1 и модернизация цеха ТР-3.
Программная среда MatLab
Пакет MATLAB широко используется во всем мире при решении задач, связанных с матричными вычислениями (рис. 2.5). Операции и команды в MATLAB достаточно естественны и аналогичны математической записи формул на бумаге. MATLAB создавался как пакет программ, реализующих наиболее эффективные вычислительные алгоритмы линейной алгебры. Он организован таким образом, чтобы пользователь имел возможность применять при работе обычный математический язык.
В настоящее время пакет MATLAB представляет собой развитую интегральную программную среду, включающую собственный язык программирования. Он дает пользователю возможность быстро выполнять различные операции над векторами и матрицами, такие как умножение и обращение матриц, вычисление определителей, нахождение собственных чисел и векторов. Кроме того, в MATLAB входят операции вычисления обычных функций (алгебраических, тригонометрических, логических), решения алгебраических и дифференциальных уравнений, операции построения графиков и ряд других операций. MATLAB является языком высокого уровня. По отдельным его командам можно выполнять такие сложные операции, как нахождение корней полиномов, решение линейных и нелинейных алгебраических уравнений, моделирование линейных динамических систем. Указанные операции являются элементарными функциями MATLAB.
Помимо ядра, содержащего вычислительные алгоритмы общего назначения, в пакете MATLAB реализовано несколько десятков так называемых Toolbox (библиотек специализированных подпрограмм), предназначенных для решения разнообразных практических задач. Например, toolboxes SYMBOLIC предназначен для выполнения символьных вычислений, а toolboxes CONTROL — для расчета и моделирования систем автоматического управления. Вместе с пакетом MATLAB поставляется также среда для визуального моделирования структурных схем Simulink (рис. 2.6).
Библиотека блоков SimPowerSystems (в версии MATLAB 6.1 и ранее -Power System Blockset) является одной из множества дополнительных библиотек Simulink ориентированных на моделирование конкретных устройств. SimPowerSystems содержит набор блоков для имитационного моделирования электротехнических устройств. В состав библиотеки входят модели пассивных и активных электротехнических элементов, источников энергии, электродвигателей, трансформаторов, линий электропередачи и т.п. оборудования. Имеется также раздел содержащий блоки для моделирования устройств силовой электроники, включая системы управления для них. Используя специальные возможности Simulink и SimPowerSystems, пользователь может не только имитировать работу устройств во временной области, но и выполнять различные виды анализа таких устройств. В частности, пользователь имеет возможность рассчитать установившийся режим работы системы на переменном токе, выполнить расчет импеданса (полного сопротивления) участка цепи, получить частотные характеристики, проанализировать устойчивость, а также выполнить гармонический анализ токов и напряжений [13].
Несомненным достоинством SimPowerSystems является то, что сложные электротехнические системы можно моделировать, сочетая методы имитационного и структурного моделирования. Например, силовую часть полупроводникового преобразователя электрической энергии можно выполнить с использованием имитационных блоков 8imPowerSystems, а систему управления с помощью обычных блоков 8imulink, отражающих лишь алгоритм ее работы, а не ее электрическую схему. Такой подход, в отличие от пакетов схемотехнического моделирования, позволяет значительно упростить всю модель, а значит повысить ее работоспособность и скорость работы. Кроме того, в модели с использованием блоков 8imPower8ystems (в дальнейшем SP8-модели) можно использовать блоки и остальных библиотек 8imulink, а также функции самого MATLAB, что дает практически не ограниченные возможности для моделирования электротехнических систем [13].
Библиотека 8imPower8ystems достаточно обширна. В том случае, если все же нужного блока в библиотеке нет, пользователь имеет возможность создать свой собственный блок как с помощью уже имеющихся в библиотеке блоков, реализуя возможности 8imulink по созданию подсистем, так и на основе блоков основной библиотеки 8imulink и управляемых источников тока или напряжения. 8imPowerSystems в соетаве 8imulink на настоящее время может считаться одним из лучших пакетов для моделирования электротехнических устройств и систем [13].
Тяговые расчеты для перегона Тукумачи-Ангрен
Тяговые расчеты производятся на компьютере с помощью специальной программы “Кортес”.
Программный комплекс “Кортес” предназначен для решения на персональных ЭВМ в среде Windows 98/Ме/2000/ХР/7 различных расчётных задач, связанных с выбором параметров, определением характеристик режимов и на- грузочной способности систем тягового электроснабжения и их отдельных элементов.
Во многих отношениях “Кортес” является преемником пакета программ NORD, работающего в операционной системе MS-DOS и обладающего в связи с этим ограниченными возможностями. В реализации новых программ максимально использован принцип совместимости “вверх” с базами данных устройств и участков, созданными с помощью пакета NORD. Интерфейс пользователя, с одной стороны, соответствует стандартам современных операционных систем, с другой - в нём сохранён стиль управления программами предшествующего пакета.
Среди новых основных возможностей, реализованных в КОРТЭС, можно отметить следующие;
определение тяговой нагрузки с учётом рекуперации энергии, а также кратности тяги по отдельным перегонам участка;
выполнение электрических расчётов на основе моделирования графика движения поездов различных категорий - скоростных, пассажирских, грузовых (в том числе повышенной массы), пригородных и др.;
расчёт схем питания фидерных зон от нескольких тяговых подстанций при наличии примыкающих участков;
учёт реальной схемы подключения фидеров подстанций и постов секционирования к контактной сети при заданном расположении воздушных промежутков.
Комплекс КОРТЭС имеет гибкую структуру и включает в себя программные модули различного назначения, связанные общими базами данных и способами управления. Набор модулей может пополняться компонентами для решения специфических задач как в области проектирования систем элекенабжения, так и их эксплуатации.
Для формирования данных тяговой нагрузки, а на их основе и графиков движения, используются следующие параметры участка: наименование дороги, ориентация нечётного направления, число главных путей, различия профилей и длин перегонов путей, а также таблицы данных по раздельным пунктам и категориям и типам поездов. Основные таблицы которые необходимо было заполнить для расчета в нашем случае были:
1. профиль пути (спрямленный) в разделе редактора параметров участков (рис 3.2);
2. тип вагона, масса состава в разделе база данных типовых составов;
3. данные электровозов в разделе базы данных локомотивов.
При вводе параметров локомотивов использовались тяговые характеристики локомотивов, взятые из паспортных данных (рис 3.3). Параметр тока двигателя Іде не вводился, так как был необходим лишь для расчета нагрева изоляции.
Также вводились такие данные как масса, длина, конструкционная скорость и тип тягового двигателя локомотива.
Массы локомотивов приняты на основании расчетов, выполненных в пункте 3.1-3.4: направление Тукимачи - Ангрен: 2268т; направление Ангрен - Тукимачи 2188т.
Результаты тяговых расчетов приведены в виде таблиц в приложении.
