CC BY
25
A model of a scraper conveyor has been developed using the Simscape library. The main dependences of the frequency start-up of the scraper conveyor electric drive have been determined. The results of computer simulation in the two-stage start-up mode are presented.
Key words: scraper conveyor, simulation, drive, traction element, simulation, mathematical model, inrush current, tractive effort.
Ovsyannikov Dmitry Sergeevich, undergraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 629.423.31
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-11-562-568
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЯГОВЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОГО СОСТАВА С ТЯГОВЫМИ МАШИНАМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Ле Суан Хонг, Чан Ба Ле Хоанг
В настоящее время нет однозначного ответа на вопрос о том, какой тип тягового электропривода (ТЭП) лучше использовать на электроподвижном составе (ЭПС). В каждой системе ТЭП есть свои плюсы и минусыю. При этом для выбора действительно перспективной и рациональной системы ТЭП необходимы анализ и оценка эффективности систем ТЭП эксплуатируемых ЭПС. Их результаты могут быть полезны при разработке и модернизации эксплуатируемых и разрабатываемых систем ТЭП. В данной статье представляется провести сравнительный анализ систем управления ТЭП с тяговыми машинами постоянного тока (ТМ ПТ).
Ключевые слова: система реостатного пуска, рекуперативно-реостатное торможение, бесконтакторное тиристорное управление, тяговые и тормозные свойства, тяговая машина постоянного тока, асинхронная тяговая машина, комплект электрооборудования, потребление энергии, эффективность рекуперации.
Системы управления ТЭП электроподвижного состава неоднократно менялись, совершенствовались, сохраняя, при этом преемственность и общие конструктивные решения. Например, система реостатного пуска с коллекторными тяговыми машинами (КТМ) постоянного тока применялась на первых вагонах метрополитена, в частности, в Советский период работы Мосметрополитена (1935-1991 гг.) было разработано и запущено в серийное производство семь типов вагонов метро (А, Г, Д, Е, модели 81-717/714, 81-715/716 и 81-718/719) и несколько модификаций вагонов типа Е и мод. 81-717/714 [1]. При пуске последовательно подключенный в цепь питания тяговых машин (ТМ) реостат постепенно выводится при поддержании постоянного тока и, соответственно, ускорения ЭПС, после чего разгон продолжается по естественным характеристикам двигателей, а затем происходит ослабление магнитного потока обмоток возбуждения. Это происходит при помощи специальных электромеханических устройств - группового реостатного контроллера (или ускорителя) с серводвигателем, реле ускорения-торможения, контакторов. Некоторые схемы также предусматривают перегруппировку схем соединения ТМ, с последовательной на последовательно-параллельную - для снижения реостатных потерь.
Развитие полупроводниковой техники сделало возможным применение импульсного регулирования напряжения на ТМ, в частности на метропоездах из вагонов типа Еи (с тири-сторно-импульсным системами управления ТИСУ) и вагонов типа Еир (в ней наряду с безреостатным пуском было применено рекуперативно-реостатное торможение ТМ с отдачей электрической энергии торможения в контактную сеть) [1]. В этом случае исключаются из схемы пусковые реостаты, а напряжение на двигателях регулируется при помощи импульсного преобразователя напряжения, изготовленного с применением силовых тиристоров или транзисторов.
562
Первые разработки системы тиристорного импульсного управления (ТИУ) гипотетически считалось, что переход с реостатно-контакторного на бесконтакторное тиристорное управление коренным образом изменяет условия работы электрооборудования и управление ЭПС постоянного тока, значительно улучшая его тягово-эксплуатационные качества и повышая экономическую эффективность электрической тяги.
Однако, практическое использование импульсного управления не дает тех результатов, которые ожидались теоретически.
При использовании на моторных вагонах ТИУ уступает системе ТЭП с дискретным реостатным управлением (ДРУ) по многим показателям (тяговые и тормозные свойства, потребление энергии, эффективность рекуперации и т.д.) и замена ДРУ на ТИУ приводит к удорожанию и увеличению массы электрооборудования и не повышает его надежность.
Следующей ступенью развития систем управления ТЭП стало применение асинхронных тяговых машин (АТМ), с питанием от преобразователей, инверторов, преобразующих постоянное напряжение в трехфазное синусоидальное с регулируемой частотой и величиной напряжения. Применение АТМ позволяет отказаться от коллекторных тяговых электродвигателей (ТЭД), требующих больших объемов обслуживания, однако применена сложная электронная система управления.
На железные дороги многих развитых стран мира поставляется ЭПС с ATM. Более 80% мирового рынка ЭПС обеспечивают четыре крупных фирмы-поставщика: Bombardier, Siemens, Alstom и Hitachi. За последние годы с их участием было создано большое количество тягового подвижного состава для различных систем электрической тяги [2].
В течение последних 30 лет в России проведено большое число испытаний по определению тягово-энергетических показателей различных систем ТЭП электроподвижного состава [1]. Накоплен опыт создания привода с ATM и применением инверторов напряжения, который можно использовать при оценке целесообразности создании ЭПС.
Основным декларируемым преимуществом систем привода с АТМ считается отказ от коллекторных двигателей, требующих постоянного обслуживания щеточно-коллекторного узла, а также более сложных в производстве и капитальном ремонте. Также преимуществом считается отказ от пуска при помощи реостатов, когда часть энергии бесполезно рассеивается на них в виде тепла. Однако стоит учесть, что система управления АТМ более сложная и требует квалифицированного персонала для обслуживания, а также оборудования специальных участков с диагностическими стендами. Нужно принимать во внимание и высокую стоимость силовых преобразователей, в особенности силовых ключей (как правило, это транзисторы с изолированным затвором IGBT) [3].
Целесообразность применения на ЭПС того или иного типа ТЭП определяется эксплуатационными требованиями.
Для ЭПС со скоростями движения более 180 км/ч практически безальтернативным является бесколлекторный тяговый привод, так как высокие скорости недоступны для ЭПС с коллекторными тяговыми машинами (КТМ), поскольку окружная скорость якоря у них не может превышать 65 - 70 м/с или 50 - 60 м/с по поверхности коллектора. Важным преимуществом при использовании бесколлекторных тяговых в скоростном движении является и их высокая удельная мощность. Для ЭПС со скоростями менее 180 км/ч (т.е. для метро) необходимые эксплуатационные показатели могут быть обеспечены ЭПС с КТМ [2].
В последнее время среди части специалистов утвердилось недостаточно обоснованное убеждение о безальтернативности использования на вагонах метрополитенов только АТМ, что обеспечивает им решающие и бесспорные преимущества перед ТЭП с ДРУ и ТМ ПТ. При этом основным и на первый взгляд бесспорным аргументом является сопоставление полученных в эксплуатации энергетических показателей действительно, архаичной системы ТЭП с ДРУ и без рекуперативного торможения, используемой в Мосметрополитене с 1935 г. практически без принципиальных изменений, с созданной с использованием последних достиженией преобразовательной техники системой ТЭП с АТМ [4].
Некорректность такого подхода к оценке перспективности альтернативных систем ТЭП была показана в [5]. Между тем, имеющиеся экспериментальнные данные и результаты теоретических исследовании показывают, что ТЭП с ТМ ПТ имеет большие резервы улучшений всех его показателей [6].
Ниже наиболее целесообразным представляется провести сравнительный анализ преимуществ и недостатков систем управления ТЭП с ТМ ПТ. Это выполнено на основе опыта эксплуатации данных видов ЭПС эксплуатирующими предприятиями городского электротранспорта.
Преимущества систем ТЭП с ТМ ПТ.
Система ТЭП с ДРУ
- Простота передачи энергии и управления режимами его работы при помощи изменения напряжения на ТЭД и потока возбуждения, не требуется сложный преобразователь;
- Простота схемных решений: система управления не содержит сложных в диагностике электронных компонентов и не требует дорогостоящих диагностических стендов для поиска неисправностей и очень высокой квалификации обслуживающего персонала;
- Высокая общая надежность системы при условии своевременного технического обслуживания. Достигается благодаря простоте схем, минимизации элементов и их унификации между собой;
- Широкий и бесступенчатый диапазон регулирования частоты вращения;
- Низкая стоимость комплекта электрооборудования. Благодаря отсутствию дорогостоящей электроники стоимость ЭПС оказывается ниже аналогичного, но с асинхронными двигателями или импульсным управлением. Также значительно ниже стоимость запасных частей к системе ТЭП.
Цены на комплектующие (запасные части) являются важным фактором, во многом определяющим стоимость полного цикла эксплуатации вагона метро (т.е. от покупки до списания). Сравним цены на основные составляющие систем тягового привода с ТМ ПТ (последовательного ПВ и независимого возбуждения НВ) и АТМ вагонов метрополитена (табл. 1-3). Источники из интернет-сайта http://zakupki.gov.ru/ и с электронной торговой площадки ГУП «Мосгортранс».
Цены на комплектующие ТЭП одного вагона с ПВ ТМ
Таблица 1
№ п/п Наименование деталей Сумма для всего вагона, рубл.
1 Тяговый двигатель ДК-117 (4 шт.) 1208000
2 Групповой реостатный контроллер
3 Контакторы
4 Блок САУ 1810237
5 Блок питания собственных нужд
6 Прочие
Транспортые расходы 30182
Всего 3048419
Одной из особенностей схемы с ТМ НВ является замена группового кулачкового реостатного контроллера тиристорным коммутатором, вместе с этим вагон метро модернизируется (блок САУ, система питания - сттатический преобразователь и т.д), в результате цена на комплектующие у одного вагона с ТМ НВ увеличивается. (табл. 2).
Таблица 2
Цены на комплектующие ТЭП одного вагона с НВ ТМ_
№ п/п Наименование деталей Сумма для вагона, рубл.
1 Комплектующие у вагона с ТМ ПТ (при замене группового кулачкового реостатного контроллера тиристорным коммутатором, блок САУ и прочие) 5152858
2 Транспортые расходы 51529
Всего 5204387
Проанализировав цены, можно сделать вывод, что стоимость на комплектующие ТЭП одного вагона метро с АТМ составляет более 8 млн. рублей, что как минимум в 2,5-2,7 раза дороже, чем у вагона с двигателями постоянного тока последовательного возбуждения (более 3 млн. рублей) и на 1,5-1,6 раза чем у вагона независимого возбуждения (более 5 млн. рублей). А разница между стоимостью всего комплекта тягового электрооборудования будет еще выше, поскольку в сравнительную таблицу не вошли цены большинства низковольтных блоков управления, используемых в асинхронном тяговом приводе.
Система ТЭП с тиристорным импульсным управлением (ТИУ)
Основные прогнозировавшиеся преимущества системы постоянного тока с ТИУ по сравнению с существующей системой постоянного тока с ДРУ следующие:
- повышение надежности электрооборудования благодаря устранению контактной коммутационной аппаратуры;
- безреостатный плавный пуск, позволяющий наряду с устранением потерь в пусковых сопротивлениях повысить пусковое ускорение;
- плавное регулирование скорости во всем диапазоне ее изменения;
- плавное рекуперативное торможение в широком диапазоне скоростей без специальных возбудителей или обмоток параллельного возбуждения ТМ;
- устранение переключений ТМ для регулирования скорости;
- возможность применения постоянного параллельного соединения ТМ, улучшающего использование сцепного веса;
- возможность повышения на 10-20% среднего напряжения, подводимого к двигателям, и соответствующее повышение их мощности, а, следовательно, и скорости движения;
- защита ТМ от воздействия колебаний напряжения и перенапряжений в тяговой сети (подразумевалось постоянное включение импульсного преобразователя);
- простота автоматизации операций по управлению ЭПС [7].
Исключительно важным прогнозировавшиеся преимуществом ЭПС постоянного тока со статическими преобразователями является возможность повышения напряжения в КС. Повышение напряжения значительно снижает стоимость системы электроснабжения, а также потери электроэнергии, на вновь электрифицируемых линиях уменьшает необходимое количество тяговых подстанций и общий расход цветных металлов на оборудование ЭПС [8].
Таблица 3
Цены на комплектующие одного вагона с АТ ГМ
№ п/п Наименование деталей Цена, рубл. Количество на вагоне, шт. Сумма для вагона, рубл.
1 Дроссель сетевого фильтра 388 737 1 388737
2 Тяговый двигатель ДТА170 У2 443 190 4 1772760
3 Контейнер тягового привода 759762 1 759762
4 Блок управления тяговым приводом БУТП-2У2 132706 1 132706
5 Модуль силового инвертора МСИ-2/800У2 81071 1 81071
6 Прочие (низковольтные блоки управления, блок САУ, блок питания собственных нужд...) 3141873 — 3141873
Итого отечественной комплектации 6276910
Итого импортной комплектации 1737410
Транспортые расходы 80143
Всего 8094463
Степень экономической эффективности тиристорного управления ЭПС определяется соотношением между увеличением стоимости ЭПС и уменьшением эксплуатационных расходов, обусловленным повышением скорости и уменьшением расхода электроэнергии вследствие устранения потерь в пусковых сопротивлениях и сокращения тормозных потерь. Кроме того, благодаря увеличению надежности электрооборудования ЭПС должны снизиться расходы на его ремонт [7]. Если же применять более высокое напряжение в контактной сети, то резко сократится также стоимость сооружения и эксплуатации системы электроснабжения. На существующих участках, электрифицированных на постоянном токе, повышение напряжения в тяговой сети приводит к увеличению пропускной способности по условиям электроснабжения и тем самым позволяет отказаться от других, более дорогих способов увеличения пропускной способности, как, например, сооружение промежуточных тяговых подстанций [9].
Система ТЭП с автоматическим регулируемым независимым возбуждением тяговых машин (АР НВ ТМ)
— 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 [10] .
Недостатки систем ТЭП с ТМ ПТ
- Повышенный расход энергии, затрачиваемый на пуск ЭПС, поскольку часть энергии выделяется в виде тепла на пусковых реостатах. Выделение энергии на реостатах можно уменьшить вдвое, применив перегруппировку ТМ, но это дополнительно усложняет силовую схему и требует увеличения контакторов;
- Силовые электромеханические аппараты требуют регулярного обслуживания, зачистки контактов от нагара, своевременного обновления контактных пар и т.д.;
- Большое количество механических узлов, требующих внимания. Например, групповой реостатный контроллер, его привод, которые должны свободно вращаться, без заеданий;
- Возможен разброс тяговых усилий между ТМ и, соответственно, разность токов между ними из-за группового питания всех ТМ от одного источника. Характеристики ТМ разнятся между собой, в зависимости от свойств активных материалов, разности активных сопротивлений обмоток, особенностей сборки на заводе-изготовителе и при прохождении ремонтов, а также из-за разности диаметров бандажей колес на разных осях. В результате некоторые машины могут оказаться недогруженными, а другие, наоборот, перегруженными машинами на каждый вагон должны подбираться по характеристикам с использованием специального диагностического стенда, что усложняет технологию ремонта;
- Существует ограничение по максимальной частоте вращения КТМ, связанное с условиями выполнения коммутации в щеточно-коллекторном узле, нагреве коллектора в результате трения, износа щеток и механической прочностью;
- Коллекторным тяговым машинам необходимо регулярно проводить замену изнашивающихся щеток, реже - шлифовку и продорожку коллектора;
- Коллекторные тяговые машины чувствительны к влаге, особенно к ее попаданию на коллектор, что может вызвать межламельные замыкания и круговой огонь на коллекторе, снижение электрической прочности изоляции. Влага в ТМ может попасть с путей во время атмосферных осадков и в процессе мойки подвижного состава. Более всего этому подвержены двигатели с самовентиляцией.
Заключение. Таким образом, объективные данные показаывают, что при реализации на ЭП с ТМ ПТ простых и проверенных на опытных образцах технических решений по совершенствованию их ТЭП [11] они не будут уступать поездам с ATM ни по одному показателю. При цене ориентировочно вдвое [12] меньшей они будут существенно эффективнее. Важнейшим их премуществом является возможность использования полученных результатов при модернизации эксплуатируемых ЭПМ, значительная часть которых ещё не отработала расчётного срока. Поэтому использование ТЭП с ТМ ПТ перспективно.
Список литературы
1. Мнацаканов В.А. К истории отечественного метровагоностроения // Метро и тоннели №3, 2015. С. 28-33.
2. Мугинштейн Л.А., Кучумов В.А., Назаров О.Н. О выборе типа тягового электропривода электроподвижного состава // Железнодорожный транспорт 2005, №5. С. 42-48.
3. Колпаков-Мирошниченко Н.И. Сравнение эффективности систем тягового электрического привода трамвайных вагонов. Маг. дисс. М., 2015.
4. Ле Суан Хонг, Тулупов В.Д. К выбору рациональных систем тягового электропривода вагонов метрополитена. Девятая международная научно-техническая конференция (МНТК) студентов, аспирантов и молодых учёных «Энергия-2014», ИГЭУ, г. Иваново, Т. 4. С. 85-88.
5. Тулупов В.Д. Проблема совершенствования электроподвижного состава. Железнодорожный транспорт. 1992. №10. С. 28-36.
6. Копылов И.П. и др. Проектирование электр. машин. уч. пособие для вузов; под редакцией И.П. Копылова. М.: Энергия, 1980. 496 с.
7. Розенфель В.Е, Шевченко В.В., Майбога В.А., Долаберидзе Г.П. Тиристорное управление электрическим подвижном составам постоянного тока. Издательство «Транспорт», 1970.
8. Курбасов А.С. Система электрической тяги XXI века // Железные дороги мира. 1999. №4. С. 24-26.
9. Курбасов А.С. Повышение работоспособности тяговых двигателей. М.: Энергия, 1977. 223 с.
10. Тулупов В.Д., Ле Суан Хонг. Предлагаемая система тягового электропривода с наилучшими технико-экономическими показателями для вагонов метрополитена в крупных городах Социалистической Республики Вьетнам // Известия Тульского государственного университета. Технические науки 2017. Вып. 4. 283 с.
11. Электропривод постоянного тока. Состояние и тенденции // Докл. Научно-практического семинара. М.: Изд. МЭИ. 2002.
12. 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. Омск, 2013. С. 8-12.
Ле Суан Хонг, канд. техн. наук, tenbigstar1209@yahoo. com, Вьетнам, Хошимин, Хошиминский университет транспорта,
Чан Ба Ле Хоанг, канд. техн. наук, [email protected], Вьетнам, Хошимин, Хошиминский университет природных ресурсов и окружающей среды
COMPARATIVE ANALYSIS OF CONTROL SYSTEMS FOR TRACTION ELECTRIC DRIVE OF ELECTRIC PROPULSION WITH DC TRACTION MACHINES
Le Xuan Hong, Tran Ba Le Hoang
Currently, there is no unambiguous answer to the question of which type of Electric Traction Systems (ETS) is better to use on electric rolling stock (ERS). Each ETS has its pros and cons. At the same time, in order to select a truly promising and rational TPE system, it is necessary to analyze and evaluate the efficiency of ETS operated by ERS. Their results can be useful in the development and modernization of operating and developing ETS. This article presents a comparative analysis of ETS control systems with direct current traction machines (DC TM).
Key words: rheostat starting system, recuperative-rheostatic braking, non-contactor thyristor control, traction and braking properties, DC traction machine, asynchronous traction machine, set of electrical equipment, energy consumption, recuperation efficiency.
Le Xuan Hong, candidate of technical sciences, [email protected], Vietnam, Ho Chi Minh City, Ho Chi Minh City University of Transport,
Tran Ba Le Hoang, candidate of technical sciences, [email protected], Vietnam, Ho Chi Minh City, Ho Chi Minh City University of Natural Resources and Environment
