CC BY
103
122
Современные технологии - транспорту
Это основной путь снижения интенсивности колебательных процессов вагонов, износов в контакте колесо-рельс и нарушений безопасности движения.
Библиографический список
1. Черкашин Ю. М. Использование результатов фундаментальных и прикладных исследований проблем взаимодействия подвижного состава и пути при решении задачи предотвращения схода колеса с рельса // Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути. Колесо-рельс 2003 : сб. докладов научно-практич. конференции. - Россия, Щербинка, 2003.
2. Лазарян В. А. Динамика вагонов / В. А. Лазарян. - М.: Транспрт, 1964.
3. Кошелев В. А. Устойчивость движения вагона и износ рабочих поверхностей колес и рельсов / В. А. Кошелев, Л. И. Челнокова // Конструкционно-технологическое обеспечение надежности подвижного состава : сб. науч. тр. - СПб.: ПГУПС, 1994.
4. Вериго М. Ф. О взаимодействии пути и подвижного состава / М. Ф. Вериго // Железнодорожный транспорт. - 2001. - №5.
5. Барвелл Ф. Т. Автоматика и управление на транспорте / Ф. Т. Барвелл.- М.: Транспорт, 1990.
6. Нормы расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных) / ГосНИИВ-ВНИИЖТ. - М., 1996.
УДК 621.331:621.311.004.18 А. С. Мазнев, А. М. Евстафьев
СНИЖЕНИЕ РАСХОДА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРОПОЕЗДЕ ОПТИМИЗАЦИЕЙ МЕТОДОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ
Железнодорожный транспорт является крупным потребителем энергоресурсов. Главным энергоносителем для тяги поездов в ОАО РЖД является электроэнергия. Энергетической стратегией железнодорожного транспорта предусмотрено создание мотор-вагонного подвижного состава с плавным регулированием скорости, обеспечивающим экономию электроэнергии до 10%.
экономия электроэнергии, плавный пуск, программируемый резистор, интегрированный блок управления тяговыми двигателями.
Введение
Анализ состояния локомотивного парка показал, что в настоящее время мо-тор-вагонный подвижной состав обладает высокой степенью износа и высокой энергоемкостью. Физический износ эксплуатируемых электропоездов превышает 70%. Наряду с капитальными затратами на приобретение подвижного состава и расходами на текущее содержание значительную часть составляют расходы на
2006/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
123
электроэнергию, их сокращение предусмотрено энергетической стратегией ОАО РЖД в период до 2020 года. Применение морально устаревших энергоустановок (реостатного пуска тяговых двигателей постоянного тока) является основной причиной повышенного расхода электроэнергии на тягу поездов.
1 Расчет расхода электроэнергии
Значительную долю расхода электроэнергии составляют потери при реостатном пуске:
А = Р t
пуск‘'пуск ’
где Р к - электрическая мощность, потребляемая при пуске,
Р = Р + Р •
пуск дв реост ’
Рдв - электрическая мощность, потребляемая тяговыми двигателями;
Р
реост
электрическая мощность, теряемая в пусковых резисторах;
t к - время разгона при пуске;
Р = EI + 12 г
дв пуск пуск дв ’
где Е - электродвижущая сила якорей тяговых двигателей; Iпуск - пусковой ток;
гдв - сопротивления обмоток тяговых двигателей;
Р = 12 R
реост пуск J'пуск’
где Рпуск - сопротивления пусковых резисторов.
Закон изменения сопротивления пускового реостата:
^ = R ■ (1 - V),
V
где V - текущее значение скорости;
Va - скорость выхода на безреостатную характеристику тягового двигателя;
R1 - сопротивление пускового реостата при V = 0,
R = jL - Гдв ,
пуск
U - подведенное напряжение.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/4
124
Современные технологии - транспорту
Потери электроэнергии в пусковом реостате при постоянном ускорении a
T t Т2 R T
Ареост = J 12 R*, ' (1 - ~d _ ,
0 T 2
где t - текущее значение времени; T - время пуска,
a
Потери энергии зависят от пускового тока, времени разгона, числа остановок и других факторов. Потери при пуске уменьшают за счет выхода на безреостатную характеристику при меньшей скорости, что возможно при разгоне с большими пусковыми токами.
2 Оптимизация расхода электроэнергии в электропоезде
Использование современных полупроводниковых приборов позволяет реализовать схему плавного пуска, в которой пусковой ток соответствует максимальному значению силы тяги и ускорению, установленному для электропоездов.
Рассмотрим преимущества плавного пуска над реостатным ступенчатым на примере электропоезда ЭР2. На рисунке 1 показано действие законов регулирования для плавного и ступенчатого пуска. В первом квадранте приведена пусковая диаграмма электропоезда ЭР2, на которую нанесены прямые среднего тока / = 190 А, реализуемого в схеме ступенчатого пуска, и пускового тока
/пуск = 210 А при плавном регулировании. При ступенчатом пуске электро -поезда
Т /max + /min
cp_ 2
Выход на скоростную характеристику происходит при скорости 48 км/ч (13,5 м/с) в точке A1.1 пусковой диаграммы электропоезда ЭР2, приведенной в первом квадранте. В схеме плавного регулирования пускового тока при / _ _ / v (210 А) вывод тяговых двигателей на автомати-
пуск max ^ '
ческую характеристику будет происходить в точке В 1.1 при скорости 44,5 км/ч (12,4 м/с).
Время, необходимое для выхода на естественную характеристику тяговых двигателей, зависит от ускорения, с которым происходит разгон электропоезда,
2006/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
125
V
t = —, a
где t, V - время и скорость выхода на естественную характеристику тяговых двигателей; a - ускорение электропоезда.
Во втором квадранте приведена зависимость скорости электропоезда при разгоне от величины ускорения V = at. В свою очередь ускорение зависит от силы тяги и силы сопротивления движению:
F
a = — G
( + i),
где F - сила тяги электропоезда;
G - вес электропоезда;
Wq - основное удельное сопротивление движению электропоезда;
i - уклон элемента пути, по которому движется электропоезд.
Считая, что силы сопротивления движению электропоезда за время пуска постоянны и значительно меньше силы тяги, примем a ° F. Так как
F =
3,61 „и h V
где I - ток тягового двигателя;
U - напряжение на тяговом двигателе;
V - скорость электропоезда;
h - коэффициент полезного действия механической передачи, то ускорение также пропорционально току тягового двигателя:
Согласно пусковой диаграмме электропоезда ЭР2, приведенной на рисунке 1, реализуемая величина тока при плавном пуске будет больше, чем при реостатном. Соотношение пусковых токов плавного и реостатного пуска составит:
Кр, =
L
I
ср
210
190
1,11.
соответственно приращение ускорения при плавном пуске
а = а К г,
плав реост пр.I ’
2
где ареост - ускорение электропоезда ЭР2 при реостатном пуске (0,65м/с );
а„
= 0,65 • 1,11 = 0,72 м/с2.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/4
126
Современные технологии - транспорту
Зависимость скорости от ускорения при плавном и реостатном пусках электропоезда ЭР2 приведена во втором квадранте рисунка 1. Прямая 0В2.1 соответствует плавному пуску, прямая 0А2.1 - реостатному, точки А2.2 и В2.2 соответствуют переходу с последовательного соединения групп тяговых двигателей на параллельное. Время, необходимое для выхода тяговых двигателей на ходовую характеристику, составляет
13,5
0,65
20,8 с при реостатном пуске и
12,4
0,72
17,2 с при плавном (соответ-
ственно точки А2.3 и В2.3).
В третьем квадранте рисунка 1 показано распределение напряжения между тяговыми двигателями и пусковыми резисторами при разгоне. Энергия, затрачиваемая на пуск электропоезда с перегруппировкой тяговых двигателей с последовательного соединения на параллельное, изображена многоугольниками ОС3.1А3.2А3.3А3.1А2.3 и ОС3.1В3.2В3.3В3.1В2.3 для реостатного и плавного пуска соответственно. Прямые ОА3.1 и ОВ3.1 делят многоугольники на треугольники ОА2.3А3.1, ОВ2.3В3.1, площади которых пропорциональны электромагнитной энергии тяговых двигателей, и треугольники ОС3.1А3.2, А3.2А3.3А3.1 для реостатного пуска, ОС3.1В3.2, В3.2В3.3В3.1 для плавного пуска, площади которых пропорциональны потерям энергии на резисторах. Как видно из диаграммы, потери в резисторах при пуске электропоезда составляют половину электромагнитной энергии тяговых двигателей и зависят от времени разгона.
Напряжения на тяговых двигателях при реостатном и плавном пусках равны, площади треугольников ОА2.3А3.1, ОВ2.3В3.1 пропорциональны времени разгона и соответствуют затраченной электромагнитной энергии, следовательно, относительная экономия при плавном пуске составит:
А
jr _____ реост
v экон д
^илав
реост 1ер^^реост
где Ареост, Аплав - энергия, затрачиваемая при реостатном и плавном пусках,
Аре
^плав ImaxUtD
190 • 20,8
плав
К
I Ut
__ cp реост
= I Ut
max плав
210 • 17,2
=1,09,
т. е. экономия электроэнергии при плавном пуске составит 9%.
2006/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
127
аЗ
аЗ
Он
U
аЗ
К
п
СО
о
«
о
с
о
К
Рн
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/4
128
Современные технологии - транспорту
Полученные выражения показывают, что экономия электроэнергии при плавном пуске повышенными токами получается за счет более раннего выхода на автоматическую характеристику тяговых двигателей.
3 Реализация системы регулирования плавного пуска
Применяемые на электроподвижном составе (ЭПС) схемы, построенные на реостатных контроллерах пуска (привод Л. Н. Решетова), не позволяют реализовать преимущества плавного пуска, так как для этого требуется увеличение количества позиций. В то же время в цифровой электронике с успехом применяются цифроаналоговые (ЦАП), аналого-цифровые (АЦП) преобразователи и программируемые резисторы, позволяющие относительно простыми средствами преобразовывать цифровой код в заданную величину тока или напряжения и наоборот, при этом точность преобразования задается количеством разрядов преобразователя.
Использование схемы программируемого резистора (ПР) в качестве реостатного контроллера позволяет не только уменьшить число силовых ключей и резисторов, но и легко согласовать силовую схему со схемой управления, выполненной на современных микропроцессорных технологиях, позволяющих реализовать алгоритмы внутренней диагностики, предотвращения боксования, экономного ведения ЭПС и т. д.
Для реализации преимуществ плавного пуска с максимальными значениями пускового тока и ускорения на кафедре «Электрическая тяга» Петербургского государственного университета путей сообщения разработана схема интегрированного блока управления тяговыми двигателями для модернизации силовой схемы электропоезда ЭР2 при производстве капитального ремонта с продлением срока службы (КРП).
4 Интегрированный блок управления тяговыми двигателями
Функциональная схема интегрированного блока управления плавным пуском тяговых двигателей представлена на рисунке 2. Для реализации режимов плавного пуска и ослабления возбуждения в предлагаемом устройстве используются одни и те же элементы: резисторы и полупроводниковые приборы, силовые IGBT-транзисторы, которые в начале пуска включаются последовательно с обмотками тяговых электродвигателей и ограничивают пусковой ток, а затем подключаются параллельно обмоткам возбуждения для регулирования ослабления возбуждения.
2006/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
129
Рис. 2. Функциональная схема интегрированного блока управления тяговым двигателем
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/4
130
Современные технологии - транспорту
В режиме пуска тягового двигателя пусковой ток протекает от источника питания по цепи: якорная обмотка тягового электродвигателя ТД, резисторы R1-R3, ключевые элементы VT1-VT3 модуля силовых транзисторов, диод VD, обмотка возбуждения тягового двигателя ОВ, датчик тока ДТ, земля. Последовательностью включений ключевых элементов VT1-VT3 регулируется общее сопротивление пусковых резисторов от максимального до минимального значений. При этом напряжение на тяговом двигателе увеличивается до выхода на автоматическую характеристику, и скорость вращения тягового двигателя начинает увеличиваться. Для дальнейшего увеличения скорости вращения тягового электродвигателя включаются контакторы К и Кш. Диод VD закрывается, а резисторы R1-R3 и ключевые элементы VT1-VT3 подключаются параллельно обмотке возбуждения ОВ тягового двигателя. Регулирование ослабления возбуждения, так же как при пуске, обеспечивается последовательностью включений ключевых элементов VT1-VT3. Величина резисторов R1-R3 выбирается из условия, что пусковой ток и коэффициент ослабления возбуждения не превышают номинальной величины:
где /пуск - пусковой ток одного тягового двигателя;
икс - напряжение в контактной сети;
a - число параллельных групп тяговых двигателей; m - число последовательно включенных тяговых двигателей в одной группе;
R - сопротивление обмотки возбуждения.
Rmax соответствует сопротивлению в цепи младшего разряда R1 ПР,
то есть наибольшему из сопротивлений. Сопротивление старшего разряда ПР (наименьшее из сопротивлений) должно соответствовать наименьшему сопротивлению ослабления возбуждения при b= bmin. Величины Rmax и
Rmin в схеме ПР связаны выражением:
где n - количество разрядов ПР.
Для выбранной схемы ПР эквивалентное сопротивление определяется следующей формулой:
<
2006/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
131
Яэкв - R1 •
\n-1
z i +... + 2 • z, + 2
n-1 1
где R\ - сопротивление в цепи силового ключа младшего разряда,
^экв -
U
I
дв '
пуск
1
zt - состояние z-го силового ключа: включенному состоянию силового
ключа соответствует 1, выключенному - 0.
Разрядность ПР определяют выбранным коэффициентом неравномерности пуска.
Заключение
Разработана схема интегрированного блока управления тяговыми двигателями электропоезда ЭР2, реализующая плавный пуск, при этом экономия электроэнергии на тягу достигает 9%.
Библиографический список
1. Гапанович В. А. Основные направления энергетической стратегии железнодорожного транспорта / В. А. Гапанович // Железнодорожный транспорт. - 2004. - №8. -С. 35-40.
2. Klose Ch., Unger-Weber F. Elektrische Bahnen, 2000, №11/12, S.441-447.
УДК 656.212.7
П. К. Рыбин, В. Н. Фоменко
МЕТОД ОЦЕНКИ МАКСИМАЛЬНО ВОЗМОЖНОГО ЧИСЛА ПОЕЗДОВ, ПРИБЫВАЮЩИХ НА СТАНЦИЮ В ТЕЧЕНИЕ ЗАДАННОГО ПРОМЕЖУТКА ВРЕМЕНИ
Путевое развитие станций зависит от размеров и характера поступления поездов в течение заданного (расчетного) периода. Число приемоотправочных путей, в частности, определяется максимальным числом одновременно находящихся на станции поездов и составов. Рассмотрен метод оценки максимально возможного числа поездов, которое поступает на станцию в течение заданного промежутка времени. Предлагаемый метод не требует подбора теоретических распределений для описания статистических данных и позволяет прогнозировать соответствующие значения с учетом изменения коэффициента вариации и интенсивности поездопотока.
число путей, интенсивность потока, метод оценки, плотность распределения, коэффициент вариации.
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/4
