CC BY
40
УДК 629.423.31
ПРЕДЛАГАЕМАЯ СИСТЕМА ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С НАИЛУЧШИМИ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИМИ
ПОКАЗАТЕЛЯМИ ДЛЯ ВАГОНОВ МЕТРОПОЛИТЕНА В КРУПНЫХ ГОРОДАХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКОЙ РЕСПУБЛИКИ
ВЬЕТНАМ
В. Д. Тулупов, Ле Суан Хонг
Рассмотрена система тягового электропривода, обеспечивающая наилучшие технико-экономические показатели, которые можно использовать для метрополитенов в крупных городах Вьетнама.
Ключевые слова: транспортная инфастуктура, потребности в передвижении, тиристорный реостатный контроллер, автоматическое регулируемое независимое возбуждение, тяговая машина постоянного тока, асинхронная тяговая машина, реостатный пуск, электрическое рекуперативно-реостатное торможение.
Одним из способов решения транспортных проблем в мегаполисах, какими являются города Вьетнама Хошимин и Ханой, является метрополитен. Вопросы строительства метрополитена в настоящее время во Вьетнаме стоят достаточно остро.
Эффективность и надежность работы метрополитена в решающей степени определяются эксплуатационными характеристиками поездов, которые, в свою очередь, определяются их соответствующими показателями (стоимость изготовления, затраты на ремонты и обслуживание, срок службы, удельный расход энергии, надёжность работы и т.д.). Наибольшее влияние на эти показатели оказывает используемая система тягового электропривода (ТЭП).
Во Вьетнаме гг. Хошимин и Ханой являются крупнейшими городами с большой численностью населения (в каждом более 7 миллионов человек) и высоким ростом экономики. В последние годы потребности населения в передвижениях и транспортная подвижность населения этих городов непрерывно увеличиваются. Однако у транспортной системы существует много недостатков: устаревшая транспортная инфастуктура, беспорядочный рост числа и типов транспортных средств, хаотическое движение, плохое самосознание людей, пользующихся транспортом (нарушение правил дорожного движения мотоциклистов и пешеходов). За каждый год количество транспортных средств увеличивается на 13 %, а площадь улиц увеличивается только на 0,3 %, что усугубляет проблему.
До сих пор автобус является единственным видом общественного транспорта в крупнейших городах Вьетнама, но он удовлетворяет ниже 10 % потребности в передвижении населения. Кроме этого, у городского автобусного транспорта существует много проблем: убыточность автобус-
263
ных перевозок; непродуманность сети автобусных маршрутов; недостаточность парка подвижного состава; трудность выполнения по расписанию движения автобусов на маршрутах, так как существует сложность маршрутов движения (средняя эксплуатационная скорость, количество перекрестков, светофоров, интенсивность и организация движения транспортного потока); несоответствие тарифа на городские автобусные перевозки реальной величине расходов на перевозки и т.д.
Решение вышеуказанных проблем только одно - развивать улично-дорожную сеть транспорта больших городов и внедрять новые виды городского транспорта (метрополитен, скоростный поезд, легкий рельсовый поезд), кроме улушения качества экспуатируемых автобусов. Из них самый надежный способ передвижения по городу - поезда метрополитена. Метрополитен, в свою очередь, является в настоящее время наиболее совершенным и комфортабельным видом массового пассажирского транспорта.
Таким образом, программой развития транспорта г. Хошимин предусмотрено строительство 6 линий метрополитена (рис. 1), первая из которых уже строится, а остальные проектируются. В связи с этим по общему плану развития городского пассажирского транспорта до 2030 г. в г. Ханой тоже будут строить всего 8 линий метрополитена, общая протяженность которых составляет 284 км.
По плану строительство первой линии метрополитена г. Хошимин завершится в 2019 г., а в эксплуатацию вступит в 2020 г. На начальном этапе линия №1 сможет провозить 185 000 пассажиров каждый день. Уже с 2025 г. будет 481700 пассажиров в день (в час пик 21400 чел./час/одно напр.), а с 2035 г. - 679500 пассажиров (табл. 1) [1].
Рис. 1. Схема стороящихся и проектируемых линий метрополитена
г. Хошимин (6 линий)
264
Таблица 1
Потребности в передвижении первой линии метрополитена
г. Хошимин
Потребности в передвижении 2020 г. 2025 г. 2035 г.
Ежедневный пассажиропоток (человек/день) 185000 481700 679500
Пассажиропоток в час «пик» (человек/час/одно направление) 21400 21400 30200
Эффективность перевозочного процесса вагонов метрополитена (ВМ) во многом определяется технико-экономическими показателями используемого электроподвижного состава (ЭПС), в частности, ТЭП.
С учетом специфики проектируемой системы ТЭП существует проблема выбора из нескольких альтернативных систем с коллекторными тяговыми машинами постоянного тока (ТМ ПТ) и асинхронными тяговыми машинами (АТМ).
На основе комплексной оценки тягово-энергетических и экономических показателей эксплуатации ВМ с различными системами ТЭП по результатам тягово-энергетических расчетов (ТЭР) и по их данным в эксплуатации показана неэффективность применения на вагонах метрополитена ТЭП с АТМ[2-6].
В связи с этим в данной статье авторами также предложена система ТЭП с тиристорным реостатным контроллером (ТРК) и автоматически регулируемым независимым возбуждением тяговых машин (АР НВ ТМ) с наилучшими характеристиками для ВМ в крупных городах Вьетнама.
1. Особенность предлагаемой системы ТЭП и ее существенные преимущества
Принципиальная силовая схема вагона метрополитена с ТРК и АР НВ ТМ представлена на рис. 2.
Схема обеспечивает следующие режимы работы:
- реостатный пуск вагона с перегруппировкой групп ТМ и плавным ослаблением поля после выхода на безреостатную характеристику параллельного соединения ТМ в соответствии с ограничениями тяговой области;
- электрическое рекуперативно-реостатное торможение в диапазоне скоростей от конструкционной до близкой к нулю с сохранением максимальной тормозной силы до скоростей 2 - 3 км/ч при сохранении рекуперативного торможения до скоростей порядка 20 км/ч и замещении рекуперативного торможения реостатным без потери тормозной силы в случаях срыва рекуперации или снижения скорости движения до величины, при которой нельзя обеспечить требуемую для рекуперации ЭДС ТМ.
Рис. 2. Принципиальная силовая схема вагона метрополитена
с ТРК и АР НВ ТМ
Одной из особенностей схемы является замена группового кулачкового реостатного контроллера тиристорным коммутатором (ТК). Применение ТК обусловлено низкой надежностью серийных реостатных контроллеров для ВМ (частые выходы из строя серводвигателей группового привода, подгар контактов и т.д.); их недостаточным быстродействием, которое не позволяет реализовать более совершенные алгоритмы управления и без существенного ограничения числом ступеней регулирования сопротивлений пуско-тормозными резисторами (ПТР).
С другой стороны, благоприятный режим работы тиристоров ТК, отсутствие жестких требований к их временным характеристикам, отсутствие коммутационных перенапряжений при выведении ступеней ПТР позволяют применить тиристоры низкой стоимости по одному на каждую ступень регулируемых секций ПТР.
Для уменьшения количества тиристоров ТК в силовой схеме привода только две секции ПТР являются регулируемыми.
Увеличение числа пусковых ступеней позволяет осуществить практически плавный выход на заданную уставку тока якоря, что в значительной степени определяет комфортные условия при пуске.
Быстродействие ТК обеспечивает улучшение динамических показателей при повторных пусках и в торможении за счет возможности включения режима тяги (торможения) сразу на нужной группировке ТМ и любой позиции ТК в зависимости от скорости движения.
266
В работах [7 - 10] подробно рассмотрены режимы работы вышеуказанной системы ТЭП и ее тягово-энергетические характеристики.
Внедрение предлагаемой системы ТЭП имеет следующие существенные преимущества:
- улучшение тяговых свойств в зоне ограничения силы тяги условиями сцепления в зоне ослабления поля ТМ соответственно за счет повышения динамический жесткости тяговых характеристик и регулирования силы тяги согласно с фактически действующим ограничением при уменьшении разброса нагрузок параллельно включенных групп ТМ;
- повышение эффективности тормозного процесса за счет более плавного регулирования тормозной силы в зоне высоких скоростей движения и сохранения максимальной тормозной силы до существенно меньшей скорости движения;
- рекуперативное торможение, являющееся основным резервны повышения энергетической эффективности ВМ, с осуществлением в этом режиме перегруппировки ТМ;
- возможность использования более эффективных энергосберегающих алгоритмов управления в пусковых режимах.
Кроме этого, тягово-энергетические показатели ВМ могут быть дополнительно повышены при использовании возможных усовершенствований конструкции [11]. Это обеспечивает снижение пусковых реостатных потерь практически вдвое и увеличивающей эфективность рекуперации. Таким образом, общие потери энергии при пуске в реальных условиях экс-пуатации в Мосметрополитене уменшаются с 8-10 до 4-5% [12].
2. Энергетическая эффективность вагонов метрополитена с предлагаемой системой ТЭП
Об энергетической эффективности применения АР НВ ТМ на вагонах моделей 81-714 и 81-717 свидетельствуют приведенные в табл.2 результаты тягово-энергетических расчетов, полученных на математических моделях (в среде «МаШСаё»). Выполнены два варианта расчетов: для скоростей сообщения Ус = 40; 43 и 46 км/ч на основе полученных в усредненных условии эксплуатации вагонов в Московском метрополитене (средняя длина перегона 1670 м, уклон нулевой, масса пассажиров 9 т, масса вагона 42 т, напряжение контактной сети при тяге 750 В и при рекуперации 1000 В); для Ус= 48 км/ч — на основе данных принятого расчетного режима работы вагонов типа 81-717 и 81-714 (длина перегона 1700 м. уклон +3 %, масса вагона с пассажирами при полной загрузке 56,4 т, напряженке в контактной сети при тяге 750 В и при рекуперации 1000 В). Из табл. 2 следует, что увеличение скорости сообщения с 40 до 46 км/ч, т.е на 15 %, приводит в средних условиях эксплуатации к росту потребления энергии на пуск Апвагонами с последовательным возбуждением (ПВ) ТМ (графы ПВ) почти на 40 %. Возврат энергии в сеть при рекуперации у вагонов с НВ ТМ увеличивается более чем в 2 раза. В результате общее потребление энергии
267
на сети Ат при условии полного полезного использования энергии рекуперации у вагонов с НВ ТМ при Ус = 46 км/ч с учетом возможного уменьшения потерь энергии в контактной сети (вследствие повышения напряжения сети и передачи энергии от рекуперирующего поезда потребляющему энергию на меньшее расстояние, чем при передаче энергии от тяговой подстанции) остается приблизительно равным потреблению энергии вагонами при Ус =40 км/ч. При этом теоретически (при условии полного полезного потребления всей энергии рекуперации) возможно снизить примерно на 35% расход энергии на тягу поездов при Ус=46 км/ч.
Таблица 2
Приведенные результаты тягово-энергетических расчетов, полученных на математических моделях (в среде «МаШСай»)
Параметр Усредненныеусловияэксплуатации Расчетныйре-жим
КМ/ V /ч с' % 40 43 46 48
100 107,5 11 15 130
ПВ НВ ПВ НВ ПВ НВ ПВ НВ
Вт.ч/ /т. км Ап' % 35,3 100,3 35,2 100 42,5 120,7 42,3 120,2 49,2 139,8 48,8 138,6 67,9 192,9 64,9 184,4
Вт.ч/ /т. км АРек' 0/0 — 5,8 16,5 — 8,8 20,9 — 12,1 24,8 — 19,49 30
Вт.ч/ /т. км Ат' % 35,3 100,3 29.4 83.5 42,5 120,7 33,5 95,2 49,2 139,8 36,7 104,3 67,9 192,9 45,41 129
А % Ат отн ? 7 и 100,3 100 120,7 113,9 139,8 124,8 192,9 154,5
В табл. 2 также показано теоретически возможное изменение расхода энергии Ат на тягу поездов при увеличении скорости сообщения с 40 до 48 км/ч, причем за 100 % принят расход энергии при Ус =40 км/ч как для поезда с традиционным тяговым приводом, так и для поезда с АР НВ ТМ. Установлено, что применение рекуперации резко уменьшает темп роста расхода энергии при повышении скорости движения.
Очевидно, что полное полезное использование рекуперативной энергии практически недостижимо, т.е. реальная эффективность применения рекуперации ниже теоретической но может быть достаточно высокой. Так, во всех исследовано эффективности применения рекуперативного торможения на метрополитене сделаны практически сопадающие выводы о возможности использования в межпоездком обмене не менее 75 % энер-
268
гии рекуперации. Повышение эффективности межпоездного обмена возможно за счет синхронизации процессов пуска и торможения поездов. При высокой эффективности рекуперации целесообразно оборудование тяговых подстанций инверторами или накопителями энергии, в частности ма-ховичными.
3. Возможности улучшения энергетических показателей поездов метро при оборудовании вагонов системой АР HB TM
Возможности улучшения энергетических показателей поездов серии Е при оборудовании вагонов системой АРНВТМ показаны на рис. 3. На нем приведены зависимости удельного расхода энергии от технической скорости для вагона с последовательным возбуждением машин при /?=0,42 (Епв), для вагона с системой АРНВТМ (Енв) и для того же вагона с учетом возврата энергии в сеть при рекуперативно-реостатном торможении (Енвр). Последняя характеристика получена с учетом потерь энергии в балластных резисторах, но без учета возможных срывов рекуперации; не учитываются также потери энергии в системе электроснабжения и ее затраты на возбуждение при АРНВТМ.
Рис. 3. Возможности улучшения энергетических показателей поездов серии Е при оборудовании вагонов системой АР НВ ТМ
Некоторые показатели, отражающие возможность улучшения тяго-во-энергетических характеристик вагонов метрополитена, приведены в табл.3.
Таблица 3
Сравнительные тягово-энергетические показатели поездов метрополитена серии Е с ПВ, НВ и АР НВ ТМ при испытании
Параметры Тип вагона
Е -■-^пв Е -■-^ив 81-717.714 с АР НВ ТМ
Время разгона, с 70,5 33 29,9
Удельный расход энергии на тягу, Вт.ч/т.км (%) 55,7 (100) 49,3 (88,5) 45,6 (81,9)
Скорость начала торможения , км/ч 64,94 40,46 42,935
Тормозные потери, % 100 72,3 67,2
Из этих данных видно, что тягово-энергетические показатели поездов метрополитена серии Е заметно улучшаются при замене последовательного возбуждения автоматически регулируемым независимым. В частности, при технической скорости 54,4 км/ч расходы электроэнергии на тягу сокращаются на 11,5 %, а тормозные потери - на 27,7 %. Такое улучшение тягово-энергетических показателей близко к соответствующему эффекту, получаемому при вводе в эксплуатацию поезда 81-717 с расчетной тяговой характеристикой.
Следует отметить, что этот результат получается за счет использования только одного преимущества АРНВТМ - плавного регулирования тока якоря. Использование других его преимуществ, таких, как устранение разброса нагрузок ТМ во всех режимах и регулирование силы тяги по допустимым значениям ограничивающих параметров при всех уровнях напряжения контактной сети, позволит еще больше расширить тяговую область поездов типа Е и приблизить ее к тяговой области поездов типа 81717.
Важным достоинством рассмотренной возможности улучшения показателей вагонов типа Е является простота осуществления модернизации. Требуемые при этом изменения схемы силовых цепей невелики. Основным дополнительным оборудованием является статический преобразователь постоянного напряжения контактной сети в переменное, которое используется для питания возбудителей, представляющих собой тиристорные выпрямители [13]. Тиристорные возбудители обеспечивают и реверсирование тока в обмотках возбуждения. Статический преобразователь служит также для питания собственных нужд вагона.
270
В связи с заменой системы возбуждения ТМ из схемы устраняются цепи ослабления поля, включая индуктивные шунты, резисторы и соответствующую коммутирующую аппаратуру. Кроме того, появляется возможность снять с вагона тормозной переключатель, а для переключения схемы из тягового режима в тормозной применить реверсор и индивидуальные контакторы. Проведенные на макетном вагоне типа Е испытания показали практическую осуществимость автоматически регулируемого НВ ТМ и подтвердили его преимущества.
Кроме улучшения динамических и энергетических показателей поездов метро, применение АРНВТМ облегчает решение проблемы внедрения на ВМ рекуперативного торможения и автоведения поездов. Основные преимущества НВ ТМ сохраняются и при его применении на поездах с ти-ристорно-импульсным управлением (ТИУ), в частности, упрощается осуществление режима рекуперативно-реостатного торможения. При цене ориентировочно вдвое меньшей (по сравнению с ВМ с АТМ) [14] они будут существенно эффективнее. Технико-экономическая целесообразность использования НВ ТМ на ВМ с контакторно-реостатным и ТИУ подтверждается и опытом зарубежных метрополитенов.
4. Заключение
Применение предлагаемой схемы ТЭП на основе коллекторных тяговых машин (КТМ) постоянного тока независимого возбуждения обеспечивает наилучшее сочетание тягово-энергетических показателей и экономической эффективности при эксплуатации на строящихся и планируемых линиях метро крупнейших городов Вьетнама:
- резервы улучшения технико-экономических показателей ЭПС постоянного тока с КТМ далеко не исчерпаны и при их использовании применение ЭПС с ТМ ПТ экономически более целесообразно. Тяговые свойства ЭПС с КТМ могут быть существенно улучшены при замене последовательного возбуждения тяговых машин независимым. Это техническое решение не требует больших затрат и может быть реализовано при модернизации эксплуатируемого парка;
- энергетические показатели ЭПС постоянного тока поездов метрополитена с КТМ могут быть повышены за счет более эффективного применения рекуперативного торможения в случае замены в схеме силовых цепей контакторов тиристорными ключами и использования энергосберегающего тягового электропривода (ЭС ТЭП);
- ЭПС с КТМ при его оборудовании автоматически АР НВ ТМ в зоне ограничения скоростей движения может реализовать силы тяги не меньше, чем ЭПС с ATM. Энергетические показатели ЭПС с КТМ выше, чем у ЭПС с ATM, особенно при оборудовании первого эффективным рекуперативным тормозом и ЭС ТЭП.
Список литературы
1. Метро в Хошимине - первое во Вьетнаме. Началось строительство линии метро №1 во Вьетнамской столице. [Электронный ресурс] URL:
http://atrnews.ru/vyetnam/21382/metro_v_khoshimine_pervoe_vo_
vetname nachalos stroitelstvo linii metro 1 vo vetnamskoy stolitse po m/ (дата обращения: 20.04.2017).
2. Тулупов В. Д., Ле Суан Хонг. Сравнительная технико-экономическая эффективность вагонов метрополитена с альтернативными системами тягового электропривода // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2015. № 3 (Т. 11). С. 30 - 38.
3. Ле Суан Хонг, Тулупов В. Д. Сопоставление эффективности систем тягового электропривода электроподвижного состава // Электрооборудование, эксплуатация и ремонт: произв.-техн. журн. 2015. № 9. С. 43 -48.
4. Тулупов В. Д., Ле Суан Хонг. Тягово-энергетический рейтинг вагонов метрополитена с альтернативными системами тягового электропривода // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. №3. 273 с.
5. Ле Суан Хонг, Тулупов В.Д. Анализ и оценка энергоэкономической эффективности вагонов метрополитена с альтернативными системами тягового электропривода // Вестник ЮУрГУ. Сер. Энергетика. 2015. Том 15. №3. С. 74 - 81.
6. 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.
7. Ле Суан Хонг, Тулупов В. Д. Оценка системы тягового электропривода вагонов метрополитена с автоматически регулируемым независимым возбуждением тяговых машин // Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации: материалы МНТК, посвященной 60-летию ОГУ (ч. 1). Оренбург, 2015. С. 89 - 94.
8. Ле Суан Хонг. Моделирование системы тягового электропривода вагонов метрополитена с наилучшими энергетическими показателям // Электроэнергетика глазами молодежи: науч. тр. V Междунар. науч.- техн. конф. / Мнн-во образования и науки РФ. Томский политехнический университет. Томск. 2014. Т. 1. С. 407 - 411.
9. Схема силовых цепей вагонов метрополитена с независимым возбуждением тяговых машин и тиристорным реостатным контроллером / В.Д. Тулупов, А.П. Марченков, С.И. Кабанец [и др.] // Тр. МЭИ. 1992. Вып. 641. C. 36 - 45.
10. Тулупов В.Д, Ляпунова Н.Д. Эффективность независимого возбуждения тяговых машин вагонов метрополитена // Железнодорожный транспорт. 1980. №3. C. 60 - 64.
11. Электропривод постоянного тока. Состояние и тенденции // Докл. научно-практического семинара. М.: Изд-во МЭИ, 2002.
12. Тулупов В.Д.. Тяговый электропривод постоянного тока с наилучшими технико-экономическими показателями // Сборник «Электросила». С-Петербург, 2002. Вып. 41. С. 196 - 210.
13. Статический преобразователь для питания обмоток возбуждения тяговых машин и собственных нужд ЭПС постоянного тока / В. Д. Тулупов, Ю.А. Карпов, А.П. Марченков, Ю.А. Кирюхин. 1997.
14. Ле Суан Хонг. Оценка экономической эффективности альтернативных систем тягового электропривода поездов Московского метрополитена // Экономические аспекты логистики и качества работы железнодорожного транспорта: материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Омск, 2013. С. 8 - 12.
Тулупов Виктор Дмитриевич, д-р техн. наук, проф., tulupovVDampei.ru, Россия, Москва, Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»,
Ле Суан Хонг, асп., [email protected], Россия, Москва, Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»
RECOMMENDED ELECTRIC TRACTION SYSTEMWITH THE BEST TECHNO-ECONOMIC INDICATORS FOR METRO IN LARGE CITIES OF THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM
V.D. Tulupov, Le Xuan Hong
The system of the traction TEP electric drive providing the best technical and economic indicators which can be used for the subways in the large cities of Vietnam is considered.
Key words: transport infrastructure, transportation needs, thyristor rheostat controller, automatic controlled independent excitation, DC traction machine, asynchronous traction machine, rheostatic start, electric recuperative-rheostatic braking.
Tulupov Victor Dmitrievich, doctor of technical sciences, professor, tulu-povVDampei.ru, Russia, Moscow, National Research University «Moscow Power Engineering Institute»,
Le Xuan Hong, postgraduate, tenbigstar 1209ayahoo. com, Russia, Moscow, National Research University «Moscow Power Engineering Institute»
