CC BY
89
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
УДК 629.423.31
ТЯГОВО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РЕЙТИНГ ВАГОНОВ МЕТРОПОЛИТЕНА С АЛЬТЕРНАТИВНЫМИ СИСТЕМАМИ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
В.Д. Тулупов, Ле Суан Хонг
В настоящее время при решении вопроса о выборе типа ТЭП для вагонов метрополитена необходимо использовать критерии, которые позволяют наиболее полно оценивать эффективность работы тягового привода на ЭПС в конкретных эксплуатационых условиях. Такой подход позволит наиболее рационально использовать ТЭП и, как следствие, приведет к повышению эффективности эксплутсщии ЭПС. Представлен рейтинг вагонов метрополитена с помощью электротяговых характеристик ТЭП.
Кчючевые слова: удельный расход электроэнергии,серийный вагон, тягово-энергетическая задача,, пассажирские перевозки, рейтинг вагона метро, тяговый привод постоянного тока, асинхронный тяговый привод.
Сегодня проблема массовых пассажирских перевозок в крупных городах с населением 1 млн человек и более, как правило, успешно решается только посредством создания внеуличного транспорта - метрополитена, отличающегося большой пропускной способностью, высокой скоростью сообщения и регулярностью движения.
Вместе с тем, метрополитен относится к числу технически сложных и капиталоемких сооружений. Опыт показывает, что строительство метрополитена целесообразно осуществлять при наличии пассажиропотока не менее 50 тыс. человек в час в одном направлении. В будущем провозная способность линии метрополитена при эксплуатации 8-вагонных метропо-ездов может возрасти до 83 тыс. пасс./час в одном направлении. При этих и более высоких нагрузках только метрополитен способен обеспечить высокую комфортность перевозки пассажиров [1].
Московский метрополитен - это основа транспортной системы столицы. Он надежно связывает центр города с промышленными районами и жилыми массивами. На сегодняшний день в Москве перевозка пассажиров электрического транспорта (рис. 1) составляет близко 70...75 % (троллейбусным транспортом перевозится 10,4 %, трамваями - 9,7 %, метрополитеном - 56 % от общего количества перевезенных пассажиров в городах). По сведениям официального сайта Мосметрополитена, его услугами с среднем ежедневно пользуются более 7 млн пассажиров, а в будние дни этот показатель превышает 9 млн пассажиров. Это навысший показатель в мире [2].
Повышение роли метрополитенов в решении проблемы пассажирских перевозок и увеличение потребления ими электроэнергии делают настоятельно необходимым улучшение тягово-энергетических показателей электропоездов метрополитена, что является основным средством увеличения провозной способности линий метрополитена при одновременном ограничении роста или даже снижении удельного потребления энергии на единицу работы.
Очевидно, что в любом случае при создании новых систем ТЭП необходимо добиваться достижения максимального результата с наименьшими затратами, включая и затраты времени на разработку и освоение производства и эксплуатации. Вместе с тем, нужно учитывать и практические возможности реализации новых технических решений промышленностью и освоения их обслуживания в эксплуатации. Особенно актуальна эта задача в сложившихся трудных объективных условиях как в сфере производства, так и в сфере экспуатации поездов метрополитена.
В связи с этим чрезвычайно актуальны рейтинги нескольких существующих вагонов метро (ВМ) [3] с помощью их характеристик для выбора более эффективного и рационального вагона.
Троллейбус
Рис. 1. Доля видов транспорта в Москве
Важнейшими характеристиками ВМ являются его электротяговые характеристики. Они определяют показатели назначения, т.е. показатели того, как быстро вагон разгоняется и движется по линии, сколько электроэнергии расходует на движение и насколько эффективна его тормозная система, т.е. система безопасности.
Главная тягово-энергетическая задача вагона метрополитена - перевезти максимальное количество пассажиров безопасно, быстро и экономично. Вагон, выполняющий эту задачу более эффективно, имеет более высокий рейтинг. Сумму показателей назначения, представленную в совокупности в относительных единицах и являющуюся тягово-энергети-ческим рейтингом вагона метро, можно расчитать по формуле
R = VXÄ x^tx^Ix 100(%), (1)
где R - рейтинг вагона метро, %, а величины, входящие в формулу (1), представлены в относительных единицах по отношению к показателям вагона метро условной мод. 81.7ХХ с идеальными электротяговыми характеристиками:
V - скорость сообщения в относительных единицах, V = V/50; А - относительный удельный расход электроэнергии на тягу, А = 58/А;
- относительное суммарное время разгона, = (8 + 18 + 28)/£t;
- относительные тормозные пути, = (120 + 200)/£L.
Согласно формуле (1) вагон метро мод. 81.7ХХ с идеальными электротяговыми характеристиками имеет рейтинг 100 % (табл. 1), поскольку при максимальной нагрузке 22,4 т (320 пасс.) он разгоняется до скоростей 30, 60 и 80 км/ч соответственно за 8, 18 и 28 с, ездит по линии, состоящей из перегонов длиной 1700 м со скоростью сообщения 50 км/ч при 250-секундных остановках, имеет при этом удельный расход электроэнергии на тягу при реостатном торможении 58 Вт ч/т км, а его тормозные пути при скоростях 60 и 80 км/ч составляют 120 и 200 м. Эти показатели реализуемы в существующих условиях эксплуатации и близки к идеальным. Метропоезд из таких вагонов легко управляется машинистом и устойчиво работает на линии в часы «пик», поскольку имеет достаточные запасы хода на нагон случайных опозданий.
Для рейтинга вагонов метрополитена с различными системами тягового электропривода необходимо узнать их сравнительные электротяговые характеристики с помощью универсальной компьютерной программы тягово-энергетических расчетов в среде «Mathcad» (рис. 2). Расчет проведен для вагонов метрополитена с тяговым приводом постоянного тока (ТП ПТ) - серийный вагон 81.717/714 и с асинхронным тяговым приводом (АТП) - вагоны моделей 81.740А/741 А («Русич»), 81.720А/760 (Яуза), 81.556/558 («Нева»), Полученные тягово-энергети-ческие результаты расчетов подробно написаны в [4]. Главные показатели для сравнеия и рейтинга вагонов метрополитена показаны в табл. 2.
Таблица 1
Данные показатели вагона метро мод. 81.7XX с идеальными электротяговыми характеристиками
Вагон метро мод. 81.7ХХ, рейтинг 100 % Скорость сообщения, км/ч Расход энергии на тягу, Втч/ткм Тормозные пути с 60 и 80 км/ч, м Времена разгона до скоростей 30+60+80 км/ч, С
С идеальными электротяговыми характеристиками 50 58 120 + 200 8 + 18 + 28
Mathcad - [УНИВЕРСАЛЬНАЯ ПРОГРАММА iflrOBO-3HEPrETH4ECKHX РАСЧЕТОВ]
,21 F'le Edit View Insert Format Tools Symbolics Window Help
D'fiiB §Qi7| • ® | » s | /» I? = П 100% ▼ 13
Normal ▼ ; Times New Roman ▼ j 14 ▼! В I U := §= | x
В* №<? ^
My Site ▼ |
Номер }"частка: К™ ■
Длинна участка (м): цЧ1■
Время движения по участку (с): т^ :- ■
Средняя величина уклона при движении по участку: р * ■
Максимальная {конструкыиональыая) скорость движения (км/ч):
Масса тары моторного вагона (т): м^тар* - »
Масса тары прицепного вагона (т): М,Ц1ара.
Масса тары головного вагона (т): МГВ1дра|
Количество пассажиров: Ктисс :- •
Количество мест для сидения в прицепном вагоне: к^ :- ■
Средняя масса одного пассажира (т): М,,^ ■
Масса всего электропоезда с пассажирами Гт): М^, з- ■
Число тяговых машин (ХМ) всего электропоезда: п^ - ■
Передаточное число редуктора: |1 ■
Диаметр колеса (м): о■
КПД зубчатом передачи: цзуб ¡- ■
Напряжение контактной сети в режиме тяги (В): Ь'кст:- ■ Напряжение контактной сети в режиме рекуперативного торможения (В): икср ■
Уставка тока якоря в режиме тяги (А): 1яуп .
Уставка тока якоря в режиме реостатного и рекуперативного
торможения (А): ■
Максимальный шк вшбужденил в режиме рсисшшию л
рекуперативного торможения (А): 1Я1ГЛХ - ■ Мощность на валу (кВт): Рв :- ■ Частота вращения (об мин): п:-(
Максимальная частота вращения (оо/мин): "пт ' Среднее время задержки реостатного контроллера при
последовательном соединении ТМ (с): :- ■
Среднее время задержки реостатного контроллера при параллельном
соединении ТМ (с): дцп > I Коэффициент ослабления поля: р . Сопротивление обмотки возбуждения ТМ (Ом): ков ■ Сопротивление обмотки якоря ТМ (Ом): Р^ ■ Сопротивление обмотки дополнительных лолюсов ТМ (Ом):
Сопрютивлснис индуктивного шунта в расчете на одиу ТМ (Ом):
^1ШП(я|тМ •
Коэффициент пропорциональности между 1я и ц: к ■ КПД тягового привода: ц ■ КПД преобразователя- ц ,
Рис. 2. Универсальная программа тягово-энергетическихрасчетов
73
Таблица 2
Сравнительные тягово-энергетические показатели рассмотренных вагонов метро с различными системами тягового электропривода
Мод. вагонов 81.717/714 «Русич» 81.740А/741 А «Яуза» 81.720А/760 «Нева» 81.556/558
Скорость сообщения V, км/ч 48 42 48 48
Расход энергии на тягу А, Втч/ткм 66(43*) 41 59 58
Тормозные пути с 60 и 80 км/ч, м 132 + 216 175 + 300 150 + 260 117 + 200
Времена разгона до скоростей ^ 30+60+80 км/ч, с 8,2 + 20,5 + 40 11 + 24 + 39 9,5 + 19,5 + 30 8 + 18 + 29
Используя данные табл. 1 и 2, по формуле (1) подсчитаны рейтинги вагонов метро существующих моделей, результаты которых представлены в табл.3.
Таблица 3
Рейтинги вагонов метро рассмотренных моделей
Мод. вагонов 81.717/714 «Русич» 81.740А/741 А «Яуза» 81.720А/760 «Нева» 81.556/558
V 0,96 0,84 0,96 0,96
А 0,879(1,349*) 1,415 0,983 1
IV 0,92 0,674 0,781 1,01
Ё* 0,786 0,73 0,915 0,982
Рейтинг Я, % 61(93,5*) 58,5 67,4 95,2
Примечание для табл. 2 и 3:* - показатели серийной мод.81.717/714 с ТП ПТ за счёт применения рекуперативного торможения и энергосберегающего алгоритма управления тяговым электроприводом.
Более высокий рейтинг ВМ указывает на его большую надежность, безопасность и экономичность в эксплуатации. Цена вагона, спроектированного на более высокий рейтинг, как правило, выше.
Однако такой поход не всегда правомерен. Для пояснения вышеуказанного подтверждения необходима оценка зависимости между рейтингом вагона метро и его ценой (рис. 3). Цена вагонов метро моделей 81.717/714, «Русич» 81.740А/741 А, «Яуза» 81.720А/760 и «Нева» 81.556/558 взята из [5-6] и представлена в табл. 4.
Таблица 4
Цена вагонов метрополитена рассмотренных моделей
Вагонмод. 81.717/714 «Русич» 81.740А/741А «Яуза» 81.720А/760 «Нева» 81.556/558
Цена за 1 вагон, млн руб. 30 67 60 75
К, %
100 : 90 I 80 4 70 т 60 ; 50 -;-40 30 20 10 0 : о
Рис. 3. Зависимость между рейтингом вагона метро и его ценой
Очевидно, что цена вагона «Русич» мод. 81.740А/741 А с АТП рассчитана не достаточно оптимально: его цена по сравнению с ценой серийного вагона мод. 81.717/714 с реостатно-контактной системой управления возросла более чем в два раза. А рейтинг вагона «Русич» по сравнению с рейтингом серийного вагона снизился.
Напротив, рейтинг вагона метро мод. «Яуза» 81.720А/760 с установленным на нем асинхронным тяговым приводом иностранной фирмы вырос по сравнению с рейтингом серийного реостатного вагона мод. 81.717/714 на 6,4 %, а по сравнению с рейтингом вагона «Русич» мод.
81.740А/741 А - на 8,9 % и составил 67,4 % (цена вагона «Яуза» 81.720А/760 - 60 млн руб, меньше, чем вагона «Русич» мод. 81.740А/741А, - 67 млн руб.). Но этот рост не связан напрямую ни с какими-то особыми качествами АТП, которыми не обладает ТП ПТ, ни с новым качеством элементной базы импортной техники. Сама элементная база может быть закуплена у целого ряда инофирм и использована на вагонах с ТП ПТ.
У вагона «Нева» 81.556/558 самый высокий рейтинг, но его большой недостаток - очень высокая цена (в 2,5 раза выше, чем у вагона мод. 81.717/71). В связи с этим его конкурентный способ тоже снизится.
Рейтинг ВМ серийного вагона мод. 81.717/714 с ТП ПТ отечественного производства также может быть доведен до уровня более 90 %, если будут оптимизированы и доработаны его электротяговые характеристики за счёт применения на них рекуперативного торможения и энергосберегающего (ЭС) алгоритма управления тяговым электроприводом, достигаемого при относительно малых затратах и с использованием большей части установленного на них электрооборудования [7-8]. А надежность его тяговой установки не уступит надежности импортного АТП, если будут доработаны электросхемы вагона и тщательно отработаны технологии производства, наладки и эксплуатации электронных систем. При реализации на ВМ с ТП ПТ простых и проверенных на опытных образцах технических решений по совершенствованию их ТЭП они не будут уступать поездам с АТП ни по одному показателю. При цене, ориентировочно много меньшей [9], они будут существенно эффективнее. В то же время электроподвижный состав с АТП имеет и ряд недостатков, часть из которых была выявлена в испытаниях и эксплуатации во Франции [10 - 11]. Анализ и оценка в [12] показывают, что по энергетическим показателям ЭПС с ТП ПТ имеют лучшие показатели, а с АТП - наихудшие. Разница в их «энергетической эффективности» превышает 3 %. При большей цене и увеличенном расходе энергии применение АТМ на ВМ вместо ЭС ТЭП может быть экономически оправдано только в случае резкого сокращения других расходов, в частности, за счет повышения надёжности и снижения затрат на обслуживание ТМ. Некоторыми специалистами активно пропагандируется тезис о фантастической экономической эффективности этих факторов. Однако известные факты показывают, что ее нет. Применение ЭПС с АТП целесообразно, если ЭПС с ТП ПТ не может обеспечить требуемые технические характеристики, в частности, при скорости движения на магистральном транспорте более 200 км/ч.
В целом же изложенные факты и соображения показывают, что использование ТЭП с ТП ПТ перспективно. Важнейшим их премуществом является возможность использования полученных результатов при модернизации эксплуатируемых ВМ [13].
По аналогии с тягово-энергетическим рейтингом могут быть рассчитаны рейтинги эксплуатационной надежности и безопасности вагонов. Эти рейтинги как интегральные показатели экономичности, надежности и безопасности целесообразно указывать в техническом задании на вагон, а при проведении испытаний включать в программы тягово-энергетических [14] и эксплуатационных испытаний. Вагон, прошедший такие испытания и показавший установленный ему техническим заданием рейтинг, можно допускать к эксплуатации с пассажирами и ставить на серийное производство.
Список литературы
1. Ле Суан Хонг. Техническое обоснование необходимости выбора систем тягового электропривода вагонов метрополитена // Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов: материалы второй Всероссийской научно-технической конференции с международным участием / Омск. гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2014. С. 135 - 142.
2. Интернет - ресурс. Официальный сайт Мосметрополитена [Электронный ресурс] URL: http://www.mosmetro.ru/about/information (дата обращения: 10.03.2016).
3. Мнацаканов В.А. Инновационный метропоезд «Нева». Тягово-энергетические испытания // Метро и тоннели. 2014. № 1. С. 30 - 34.
4. Ле Суан Хонг, Тулупов В. Д. Расчет тягово-энергетических характеристик метрополитена с различными системами тягового электропривода с помощью программы «Mathcad» // Альтернативные источники энергии в транспортно-технологическом комплексе: проблемы и перспективы рационального использования. 2015. Вып. 2. С. 37 - 42.
5. Ле Суан Хонг, Тулупов В. Д. Сравнительная технико-экономическая эффективность вагонов метрополитена с альтернативными системами тягового электропривода // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2015. № 3 (Т. 11). С. 30 - 38.
6. Интернет форум "Мое метро" [Электронный ресурс] URL: http://forum.nashtransport.ru/index.php?show-topic=17206 (дата обращения: 10.03.2016).
7. Тулупов В.Д. Улучшение энергетических показателей электропоездов // Железнодорожный транспорт. 1991. №9. С. 38 - 41.
8. Ле Суан Хонг. Моделирование системы тягового электропривода вагонов метрополитена с наилучшими энергетическими показателями // Электроэнергетика глазами молодежи: науч. тр. V Междунар. науч.- техн. конф. Т. 1. Томск. 10-14 ноября 2014 г. / Министерство образования и науки РФ. Томский политехнический университет. Томск, 2014. С. 407 - 411.
9. Ле Суан Хонг. Оценка экономической эффективности альтернативных систем тягового электропривода поездов Московского метрополитена // Экономические аспекты логистики и качества работы железнодорожного транспорта: Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием. Омск, 2013. С. 8 - 12.
10. Nouvion F.F. Into the second century // Railway Gazette International. 1979. April. P. 296 - 300.
11. NouvionF.F. Consideration on the use of d.c and three- phase traction motors and transmission system in the context of motive power development // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. 1987. Vol. 201. № 2. P. 99 - 113.
12. Ле Суан Хонг, Тулупов В.Д. Технико-экономическая оценка эффективности вагонов метрополитена с альтернативными системами тягового электропривода // Известия Тульского государственного университета. Технические науки 2015. Вып. 10. Тула: Изд-во ТулГУ, 217 с.
13. Ле Суан Хонг, Тулупов В.Д. Анализ и оценка энергоэкономической эффективности вагонов метрополитена с альтернативными системами тягового электропривода // Вестник ЮУрГУ. Сер. Энергетика. Т. 15. №3. С. 74 - 81.
14. Ле Суан Хонг, Тулупов В. Д. Обоснование и выбор системы тягового электропривода вагонов метрополитена // В мире научных открытий. 2015. № 7.8 (67). С. 3119 - 3130.
Тулупов Виктор Дмитриевич, д-р техн. наук, проф., tulupovVD@mpei.ru, Россия, Москва, Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»,
Ле Суан Хонг, асп., tenbigstar1209@yahoo.com, Россия, Москва, Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»
TRA CTION-ENERGY RA TING FOR METRO WITH AL TERNA TIVE ELECTRIC
TRACTION SYSTEMS
V.D. Tulupov, Le Xuan Hong.
At present, when deciding on the choice of the type of traction electric drive (TED) for Metro must use criteria that allow more fully assess the efficiency of the traction drive on electric rolling stock (ERS) in specific operating conditions. This approach will allow the most efficient use of the TED, and as a result will lead to efficiencies ERS operating instructions manual. The article presents a rating of Metro using their Electrotraction characteristics of TED.
Key words: specific energy consumption, the serial car, traction and energy problem, passenger transport, the rating Metro, asynchronous traction (AC), DC traction.
Tulupov Victor Dmitrievich, doctor of technical sciences, professor, tulu-povVDampei.ru, Russia, Moscow, National Research University «Moscow Power Engineering Institute»,
Le Xuan Hong, postgraduate, tenbigstar1209@yahoo. com, Russia, Moscow, National Research University «Moscow Power Engineering Institute»
УДК 628.9.04
ВНЕДРЕНИЕ СИСТЕМЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МЕНЕДЖМЕНТА
КАК ПРИНЦИП УПРАВЛЕНИЯ ЗАТРАТАМИ НА ДЕЙСТВУЮЩИХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ
С.В. Гужов
Предложен аналитический подход к формированию системы оценки эффективности элементов системы энергоменеджмента, позволяющий оценить точность и доверительную вероятность возможности снижения объёмов потребления энергоресурсов и создает предпосылки к формированию обоснования эффективности внедрения элементов системы энергетического менеджмента в действующих электротехнических комплексах.
Ключевые слова: энергоменеджмент, точность, доверительная вероятность, энергосбережение.
Мероприятия, реализуемые организациями для снижения объёмов потребления энергетических ресурсов, основываются на внедрении в т.ч. элементов системы энергетического менеджмента. Опыт пилотных внедрений показывает разную эффективность одинаковых энергосберегающих мероприятий для организаций при наличии либо отсутствии системы энергоменеджмента. Масштабное внедрение системы энергетического менеджмента сдерживается отсутствием показанной гарантии последующего снижения объёмов энергопотребления.
13 декабря 2011 г. ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт сертификации» инициировал разработку проекта национального стандарта ГОСТ Р, регламентирующего вопросы внедрения энергетического менеджмента на предприятиях. Целью документа являлось предоставление организациям механизма разработки систем и процессов, необходимых для снижения энергозатрат и повышения энергетической эффективности используемых процессов. Потенциал энергосбережения в российской экономике был оценён для различных секторов (рис. 1). Наибольший потенциал энергосбережения был выявлен в промышленности, ТЭК, ЖКХ, где предполагалось экономить до 25 % потребляемых энергоресурсов [1]. 26 октября 2012 г. Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии № 568-ст ГОСТ Р ИСО 50001-2012 «Системы энергетического менеджмента. Требования и руководство по применению» утверждён и введён в действие.
