Сравнение энергетических показателей при реостатном и импульсном регулировании скорости электропоезда Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Общетехнические задачи и пути их решения 107

Библиографический список

1. Накопители энергии : учеб. пособие для вузов / Д. А. Бут, Б. Л. Алиевский, С. Р. Мизюрин, П. В. Васюкевич ; ред. Д. А. Бут. - М.

: Энергоатомиздат, 1991. - 400 с.

2. Способ применения

сверхпроводникового накопителя энергии (СПИН) для повышения экономичности

грузовых газотурбовозов / А. И. Хожаинов, В. В. Никитин, Г. Е. Середа // Транспорт

Российской Федерации. - 2007. - № 7. - С. 2931.

3. О характеристиках

сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии (СПИН) для стационарного размещения на тяговых подстанциях / М. Ю. Пустоветов, В. Н. Носков // Материалы IV Международного симпозиума Элтранс-2007 «Электрификация и организация скоростных и тяжеловесных коридоров на железнодорожном транспорте». -СПб. : ПГУПС, 2007. - С. 369-376.

4. Применение сверхпроводниковго индуктивного накопителя энергии в устройствах системы централизации и блокировки / А. Л. Быкадоров, Т. А. Заруцкая // Материалы V Международного симпозиума Элтранс-2009 «Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте». - СПб. : ПГУПС, 2010. - С. 350-354.

УДК 629.423.32:621.38

5. Пат. RU 2259284Российская

Федерация, МКЗ3В60М3/06, B60L7/12 /

Тяговая подстанция постоянного тока со сверхпроводниковым индуктивным

накопителем энергии / Быкадоров А. Л., Заруцкая Т. А., Петрушин А. Д., Фигурнов Е. П.; заявитель и патентообладатель Быкадоров А. Л., Заруцкая Т. А., Петрушин А. Д., Фигурнов Е. П.

- № 2003104912/11; заявл. 18.02.03; опубл. 27.08.05, Бюл. № 24 (I ч.). - 6 с.

6. Анализ схемы заряда

сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии через промежуточный емкостный накопитель / Е. Г. Середа // Известия Петербургского университета путей сообщения.

- 2009. - Вып. 2. - С. 60-70.

7. Методика расчета электромагнитных и

массогабаритных параметров обмотки

тороидального сверхпроводникового

индуктивного накопителя энергии / В. В. Никитин, Е. Г. Середа // Известия Петербургского университета путей сообщения.

- 2009. - Вып. 3. - С. 125-135.

8. Методика расчета индуктивности

многосекционного тороидального СПИН для тяговой подстанции / А. Л. Быкадоров,

Т. А. Заруцкая // Вестник Ростовского

государственного университета путей сообщения.

- 2003. - № 1. - С. 36-40.

Ю. В. Чернышева

Петербургский государственный университет путей сообщения

СРАВНЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРИ РЕОСТАТНОМ И ИМПУЛЬСНОМ РЕГУЛИРОВАНИИ СКОРОСТИ ЭЛЕКТРОПОЕЗДА

Рассмотрены преимущества импульсного регулирования скорости электропоездов. Приведены результаты исследований и сравнение энергетических потерь при импульсном и контакторно-реостатном регулировании скорости электропоезда.

расход электроэнергии, электропоезд, импульсное регулирование, контакторно-реостатное регулирование.

Введение

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/1

Общетехнические задачи и пути их решения 108

Пригородное движение имеет наибольшие удельные затраты электроэнергии по сравнению с пассажирским и грузовым движением за счет небольших расстояний между остановочными пунктами. Для того чтобы пригородные поезда не создавали помех для движения других поездов, они должны обеспечивать высокие значения технической скорости. В настоящее время большинство электропоездов постоянного тока оборудовано контакторно-

реостатной системой регулирования напряжения на тяговых

электродвигателях, недостатки которой общеизвестны. Энергетические

показатели эксплуатируемых в настоящее

время электропоездов постоянного тока могут быть существенно улучшены путем замены контакторно-реостатной системы на импульсное регулирование. Осуществлению этой идеи способствует появление современных полупроводниковых приборов, в частности IGBT-транзисторов, позволяющих создать регуляторы с рабочей частотой до 10.. .20 кГц.

Для подтверждения эффективности модернизации тягового привода пригородных электропоездов системой импульсного регулирования напряжения на тяговых двигателях требуется сравнительная оценка энергопотребления такого электропоезда.

1 Оценка расхода электроэнергии на движение электропоезда по перегону

Расчетная траектория движения электропоезда приведена на рисунке 1. Движение электропоезда на

соответствующих участках разгона и торможения считаем равноускоренным.

Расход электроэнергии на движение электропоезда по перегону оцениваем по формуле:

А = А + Ар + Лп + Ап.п - Ар, (1)

где Ак - расход электроэнергии на приобретение электропоездом

кинетической энергии, кВт ч; А„р - расход электроэнергии на преодоление сопротивления движению при разгоне, кВт ч; А„п - расход электроэнергии на преодоление сопротивления движению при движении с постоянной скоростью, кВтч; Ап.п - потери электроэнергии при пуске, кВтч; Ар -возврат электроэнергии при рекуперации, кВтч.

А = G • (1 + у) • Vy2

к 2 • 3,62 • 3600 • Пт, • Пт.п ,

где Оэ - расчетная масса электропоезда, т; 1 + g - коэффициент инерции

вращающихся частей; согласно [1],

принимаем 1 + g = 1,07; Гу - скорость

окончания разгона, км/ч; птд - КПД

тягового двигателя; Пт.п - кпд тяговой передачи.

Рис. 1. Расчетная траектория движения электропоезда

Разгон электропоезда можно условно разделить на три этапа: 1) пуск; 2) разгон на ослабленном возбуждении; 3) разгон на автоматической характеристике (см. рис. 1).

Расход электроэнергии на

преодоление сопротивления движению на любом этапе разгона можно вычислить по формуле:

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/1

Общетехнические задачи и пути их решения 109

A _ G • g • w0i • Sp

wpi 1000 • 3600 • n • n ’

где w0i - усредненное основное удельное сопротивление движению электропоезда на соответствующем участке разгона, Н/кН; £р;- - путь, пройденный

электропоездом на соответствующем участке разгона, м.

где w0^ - основное удельное

сопротивление движению электропоезда на участке пуска, Н/кН; £рп - путь,

пройденный электропоездом за время пуска, м; £пп -коэффициент пусковых

потерь.

Величина £пп зависит от числа соединений ТЭД; согласно [2], принимаем кп.п 1.

А,п _

G • g • w • S

э О о.у 1

1000 • 3600 • Пт.д • Лт.п’

где w0.y - основное удельное

сопротивление движению электропоезда при скорости Уу, Н/кН; Sy - путь,

пройденный электропоездом при скорости

Уу, м.

А.п - к.п

G3 • (1 + g)У

2 • 3,62 • 3600

+

+

G3 • g • WQ.n • SP.n

1000•3600

A

G •(1+g) • (уу2 - VD -Лт.дh 2 • 3,62 • 3600

- G3 • g • Wo.P.T • SP.T 1000•3600 ,

т.п

где w^.t - усредненное основное удельное сопротивление движению поезда на пути рекуперативного торможения, Н/кН; S^ -путь, пройденный электропоездом в режиме рекуперативного торможения, м.

2 Расчет энергетических характеристик при импульсном регулировании

Так как для импульсного регулирования используются такие же ТЭД, как для контакторно-реостатного регулирования, то отличие в расчете расхода электроэнергии будет

заключаться в том, что при импульсном регулировании отсутствуют пусковые потери, но имеются потери в полупроводниковом преобразователе и режим рекуперативного торможения возможен до полной остановки поезда.

Потери в преобразователе

рассчитываются для импульсного регулирования, как замена потерь при пуске, по формуле:

Ар - (A + Aw) • N ■ (2)

где Ast - статические потери в IGBT-транзисторе, кВт-ч; Asw - динамические потери в IGBT-транзисторе, кВт-ч; Ым -число моторных вагонов в электропоезде; принимаем Ым = 5.

Статические потери в IGBT-транзисторе рассчитываем по формуле:

A ___ Usat 1 sw tn

2 1000•3600

(3)

где Usat - прямое падение напряжения на IGBT-транзисторе, В; принимаем Usat = = 3,9 В; Isw - ток, протекающий через IGBT-транзистор, А; принимаем Isw = 1я; 1п - время работы преобразователя, с; принимаем tYl = t для режима пуска.

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/1

Общетехнические задачи и пути их решения 110

Динамические потери в IGBT-транзисторе рассчитываем по формуле:

A = fs • (Etot + Q2 U + 2• Qr-Up)• t ™ 1000•3600 ,( )

где f- частота преобразователя, Гц; принимаем fs = 1500 Гц; Etot - суммарная

энергия переключения IGBT-транзистора, Вт-с; С22 - выходная ёмкость IGBT-транзистора, Ф; принимаемС22 = 56Д0-9 Ф; U0 - напряжение источника питания, В; принимаем U0 = икс; Qrr - заряд

антипараллельного диода, Кл; принимаемQrr = = 36-10-6 Кл.

Параметры С22, Qrr взяты для IGBT-транзистора модели FZ400R65KF2 фирмы Infineon согласно [3].

Суммарная энергия переключения IGBT-транзистора рассчитывается по формуле:

Etot = Eon + Eoff , (5)

где Eon - энергия включения IGBT-транзистора, Вт-с; принимаем Eon = 4 Вт-с; Ef -энергия выключения IGBT-транзистора, Вт-с; принимаем Eof = 2,3 Втс.

Расход электроэнергии на движение электропоезда по перегону оцениваем по формуле:

A = А + А,Г + А„ + Апр-A.. (6)

Значения Ак, А„р и А„п принимаем из расчетов для реостатного регулирования.

Благодаря импульсному регулятору рекуперативное торможение возможно до полной остановки, поэтому возникает необходимость в пересчете Ар:

Ар =

G • (1 + g) • Уу2 -Лт.д -Лт.п 2 • 3,62 • 3600

G • g • ^о.р.т • SP,

(7)

р.т

1000•3600

Апрт,

где №о.р.т - усредненное основное удельное сопротивление движению поезда на всем пути торможения, Н/кН; £рт - путь, пройденный электропоездом в режиме торможения, м; рассчитывается как суммарное расстояние всего режима торможения; Апрт - потери в преобразователе в режиме рекуперации, кВт-ч.

Расчет потерь в преобразователе производим по формулам для режима тяги, приведенным выше. Отличия: ик.с = 3300 В; 7п рассчитываем как суммарное время режима реостатного торможения и дотормаживания.

По результатам расчетов на рисунке 2 построены зависимости полного расхода электроэнергии при реостатном и импульсном регулировании скорости электропоезда с ТЭД 750 и 1500 В.

Рис. 2. Зависимости полного расхода электроэнергии от времени хода при реостатном и импульсном пуске для ТЭД 750/1500 В

По результатам расчетов на рисунке 3 построены зависимости возврата электроэнергии от времени хода при рекуперативном торможении при реостатном и импульсном регулировании скорости электропоезда с ТЭД 750 и 1500

В.

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/1

Общетехнические задачи и пути их решения 111

Результаты расчетов показали, что наименьший расход электроэнергии получается при импульсном

регулировании ТЭД 750 В. Он на 5 % меньше, чем при импульсном регулировании ТЭД 1500 В, и в 2 раза меньше, чем при реостатном регулировании ТЭД 750 В. По возврату

Библиографический список

1. Правила тяговых расчетов для поездной работы. - М. : Транспорт, 1985. - 287 с.

2. Основы локомотивной тяги / С. И. Осипов, К. А. Миронов, В. И. Ревич. - М. : Транспорт, 2000. - 443 с.

Рис. 3. Зависимости возврата электроэнергии от времени хода при рекуперативном торможении для реостатного и импульсного пуска для ТЭД 750/1500 В

электроэнергии в контактную сеть схемы с импульсным регулированием равнозначны и позволяют увеличить возврат электроэнергии по сравнению со схемами реостатного регулирования в среднем на 10 кВтч для ТЭД 750 В и на 5кВтч для ТЭД 1500 В.

3. http://www.infineon.com/cms/en/product/power-

modules-and-iscs/igbtmodules/igbt-modules-up-to-6500v/igbt-modules-up-to-6500v-single-witch/channel. html?channel=ff80808112ab681d0112ab69f9290398.

УДК 05.23.05

Р. И. Щеулов

Петербургский государственный университет путей сообщения

ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК ТОНКОМОЛОТОГО БЕТОННОГО ЛОМА НА ПРОЧНОСТЬ МЕЛКОЗЕРНИСТЫХ БЕТОНОВ

Ежегодно в мире образуется огромное количество бетонного лома. Возникает необходимость утилизации или повторного вовлечения в производство данного минерального

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2012/1