CC BY
35
Электротехнические комплексы и системы
Тулупов В. Д.
Tulupov V D.
доктор технических наук, профессор кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов и электрического транспорта», ФГБОУВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», г. Москва, Российская Федерация
УДК 629.423.31
Ле Суан Хонг Le Xuan Hong
(Социалистическая Республика Вьетнам) аспирант кафедры «Электротехнические комплексы автономных объектов и электрического транспорта», ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ», г. Москва, Российская Федерация
выбор рациональной системы тягового электропривода для вагонов метрополитена социалистической республики вьетнам
Из-за роста населения современных мегаполисов увеличивается объем городских пассажирских перевозок. При этом необходимо в полном объеме учитывать требования комфортности перевозок, а также прорабатывать вопросы рационального использования материальных и топливно-энергетических ресурсов страны. Наиболее совершенным видом городского транспорта является электрический транспорт (метрополитен, троллейбус, трамвай и т.д.), который использует для тяги электрическую энергию и не оказывает вредного воздействия на окружающую среду. Известно, что городской электрический транспорт является одним из крупных потребителей электрической энергии. Поэтому очень важен правильный выбор рациональной конструкции тягового электроподвижного состава и эффективной его эксплуатации. На сегодняшний день система тягового электропривода (ТЭП) для вагонов метрополитенов Социалистической Республики Вьетнам окончательно еще не выбрана, поэтому, исходя из вышесказанного, выбранная тема исследования статьи является актуальной.
Научную ценность работы представляет оценка эффективности тягово-энергетических и экономических показателей вагонов метрополитенов с различными системами ТЭП на основе анализа результатов расчетов, полученных на математических моделях.
Практической значимостью работы являются предложения авторов по разработке и внедрению наиболее эффективного ТЭП для строящихся и проектируемых линий метрополитена в крупных городах Вьетнама.
Ключевые слова: городские пассажирские перевозки, наземный транспорт, выбор класса напряжения, коллекторная тяговая машина, электромеханическая характеристика, пуско-во-тормозная характеристика, кривые движения, кривые разгона, среднее ускорение, среднее замедление.
selection of the rational electric traction system for the metro of the socialist republic
of vietnam
Due to the growing population of modern megacities, the volume of urban passenger traffic is increasing. At the same time, it is necessary to take into full consideration the requirements for the comfort of transportation, as well as to study the issues of rational use of the country's material
Electrical facilmes and systems
and fuel-energy resources. The most perfect type of urban transport is electric transport (metro, trolley, tram, etc.), which uses electric energy for traction and does not have a harmful effect on the environment. It is known that urban electric transport is one of the major consumers of electrical energy. Therefore, the correct choice of the rational design of the tractive electric rolling stock and its effective operation is very important. To date, the traction drive system (TDS) for the railways of the subways of the Socialist Republic of Vietnam has not yet been fully selected, therefore, based on the foregoing, the topic chosen is relevant.
The scientific value of the work is a comprehensive assessment of the effectiveness of traction-energy and economic indicators of metro with various TDS on the basis of analysis of calculation results obtained on mathematical models.
The practical significance of the work are suggestions by the authors on developing and implementing the most effective TDS for the construction and projected subway lines in major cities of Vietnam.
Key words: city passenger transport, ground transportation, choice of voltage class, collector traction machine, electromechanical characteristic, starting and braking characteristic, driving curves, acceleration curves, average acceleration, average deceleration.
Введение
Проблемы обеспечения городских пассажирских перевозок наземных транспортом крупных городов остаются актуальными и обусловливают необходимость строительства метрополитенов или увеличения их доли в общем пассажиропотоке. В связи с этим метрополитен является в настоящее время не только наиболее совершенным и комфортабельным видом массового пассажирского транспорта, но и самым надежным способом для решения всех транспортных проблем в городах Хошимин и Ханой (2 крупнейших города Вьетнама с населением в каждом более 7 млн чел.) [1].
Вышеизложенное касается принципов построения тягового электропривода (ТЭП) для вагонов метрополитена (ВМ), в частности для крупных городов Вьетнама, которые не имеют в настоящее время однозначного решения.
При этом если задача выбора класса напряжения является стандартной и легко разрешимой, то задача выбора принципов систем ТЭП для ВМ носит дискуссионный характер. Системы ТЭП сегодня реально могут быть либо с коллекторными тяговыми машинами (КТМ) постоянного тока (ПТ), либо с асинхронными (АТМ).
Преимущества приводов с использованием АТМ перед другими, присущие в некоторых областях электротехники, многими специалистами проецируются на всю сферу применения ТЭП, без учета какой-либо специфики. Поэтому разработка подходов к обоснованию выбора типа вагонов с оптимальным типом ТЭП для линий метрополи-
тена Вьетнама представляется актуальной задачей, имеющей практическое значение.
Для достижения поставленной цели в статье выполнен расчет технико-экономических показателей ВМ с различными системами ТЭП и проведена комплексная оценка их эффективности по полученным результатам расчета.
Расчет технико-экономических показателей ВМ с различными системами ТЭП с помощью программы «MathCAD»
На основе анализа результатов статистической обработки известных данных по эксплуатации, сведений и соображений показана неэффективность применения на вагонах метрополитена ТЭП с АТМ и обоснована целесообразность использования ТЭП на базе двигателя постоянного тока [2-5]. Для более убедительной оценки систем ТЭП авторами разработаны компьютерные модели (в среде MathCAD) для расчетов их сравнительных тягово-энергетических показателей. К этим расчетам относятся:
— расчет и построение электромеханической характеристики;
— расчет и построение пусково-тормоз-ных характеристик;
— расчет и построение кривых движения для заданных условий;
— определение расхода энергии на движение и других показателей.
Все расчеты осуществляются для скорости сообщения 48 км/ч и на основе данных принятого расчетного режима работы ВМ (длина перегона 1700 м, уклон нулевой, масса вагона с пассажирами при полной
загрузке, напряжении в контактной сети при тяге 750 В и при рекуперации 1000 В).
В расчетах использованы параметры (технические характеристики) серийного вагона типа 81-717/714 с ТМ ПТ ДК-117А и вагона
«Ока» типа 81-760/761 с АТМ ТАДП280М4 У2. По результатам расчета построены кривые движения ВМ с ТЭП постоянного тока последовательного возбуждения (ПВ), независимого возбуждения (НВ) и АТМ (рисунок 1).
а)
б)
а) ^Ъ); б) V©
Рисунок 1. Кривые движения ВМ с ТЭП постоянного тока ПВ, НВ и с АТМ при расчетном режиме (Ь = 1700 м, V = 48 км/ч)
Рисунок 2. Кривые разгона вагонов метрополитена с ТЭП постоянного тока ПВ, НВ и с АТМ
Рисунок 3. Тормозные пути вагонов метрополитена с ТЭП постоянного тока ПВ, НВ и с АТМ
при расчетном режиме (у= 48 км/ч)
На рисунке 2 представлены кривые разгона метропоездов с ТЭП постоянного тока ПВ, НВ и с АТМ. Как видно, до скорости 40-50 км/ч они разгоняются почти одинаково, а только в зоне скоростей 60-80 км/ч метропоезда с АТМ разгоняются интенсивнее, а поезда с ПВ - самый медленный. Среднее ускорение метропоезда с АТМ при разгоне составило 1,0013 м/с2; у метропоездов «Серийный» (мод. 81.717/714) с ПВ — 0,9072 м/с2, а с НВ — 0,9356 м/с2.
В эксплуатации низкое ускорение метро-поезда при разгоне приводит к необходимости двойного подключения тяги даже при работе на перегонах средней длины. Это вызывает перерасход электроэнергии на тягу и затрудняет работу машиниста в режиме нагона опозданий. Кроме того, более длительный уход метропоезда из зоны станции сокращает провозную способность линий метрополитена, которая ограничена именно пропускной способностью станции. Кажется, что это повышает преимущества ВМ с АТМ. Однако, по результатам расчета, значение среднего ускорения у ВМ с АТМ не сильно отличается от ВМ с ТЭП постоянного тока ПВ и НВ.
На рисунке 3 зависимость тормозного пути при служебном торможении от скорости. Очевидно, что такие характеристики по расчету (до скорости 60 км/ч) для всех типов поездов незначительно отличаются. У поездов с НВ более высокое значение среднего замедления (1,1572 м/с2), а у поездов с АТМ — 1,122 м/с2, а на эксплуатации — подробно отражены в [6].
Таким образом, тягово-тормозные характеристики вагонов метрополитена с АТМ много хуже прогнозировавшихся некоторыми специалистами.
Определение расхода энергии на движение поезда
По кривым движения расход энергии А1 определяют по выражению:
Ai = -JL- f— [(£ 1Л CDAt) -
лп/ст.лтс 13600 lv л ср •'тяг
- ()С 1л,р At) рек] + ^ (тпер + Тост)} , Вт ч, (1)
где Птс= 0,93 — средний КПД тяговой сети; Пп/ст= 0,95 — средний КПД тяговой подстан-
ции; Рсн = 3 кВт — мощность нагрузки собственных нужд; Тпер — время движения поезда по перегону; Тост = 25 с — время остановки для метрополитена; ик = 750 В — среднее напряжение в КС; 1(лср) — средний ток локомотива.
При аналитическом методе расход энергии А2 определяется суммированием отдельных составляющих:
А2 = Аш + А; + Ат + А^ + Ап + Асн + Апусткс, (А^ + А1 + Ат
1 (' а2=- ■
лп/стп тс \
+An+ACHj,
лср.тэд
Вт-ч,
■ +
(2)
где Ак — расход энергии на преодоление основного сопротивления движению; А. — расход энергии на преодоление уклонов; АТ
— расход энергии на торможение; Ап — расход энергии на компенсацию потерь в ТЭД; Асн — расход энергии на собственные нужды; АП — расход энергии на пуск; А^^
— расход энергии на тяговые подстанции и КС; Пср.ТЭД — КПД двигателя.
Проверка погрешности расчета удельного расхода энергии между графическим методом (Ауд1) и аналитическим методом (Ауд2):
Ai 2
Ауд1'2 = m.L. Ю-3'
Вт • ч/ тыс. км;
¿=|Ауд2. Ауд1|.юо% .
уд1
(3)
(4)
Погрешность S = 2,23 % (меньше 10 %), следовательно, расчет сходится.
Как показали результаты тягово-энергети-ческих расчетов (таблица 1), вагон метро с НВ ТМ позволяет получить лучшие энергетические показатели по сравнению не только с ПВ ТМ, но и с АТМ. Энергетическая эффективность ВМ с АТМ существенно ниже, чем ВМ с НВ ТМ.
Расчет срока окупаемости замены серийных ВМ81-717/714 с ТМПТпоездами с АТМ за счёт улучшения их энергетических показателей
Срок окупаемости поезда с АТМ в анализируемых условиях рассчитывается по формуле:
Т = лет, (5)
Таблица 1. Тягово-энергетические показатели вагонов метро по расчетному режиму
Параметры Серийный вагон 81-717.714 (с ПВ), Серийный вагон 81-717.714 (с НВ), Вагон 81-760.761 (с АТМ), расчет-
расчетный режим расчетный режим ный режим
Общая длина участка, м 1700 1700 1700
Общее время движения, с 105,128 105,128 105,128
Средняя скорость движения, км/ч 58,215 58,215 58,215
Скорость начала торможения, км/ч 68 67 65
Скорость начала выбега, км/ч 79 79 84
Среднее ускорение при разгоне, м/с2 0,9072 0,9356 1,0013
Среднее замедление при торможении, м/с2 1,0939 1,1572 1,122
Расход энергии на преодоление основного сопротивления движению, кВтч 12,5057 12,4001 12,7028
Расход энергии на торможение (без рекуперативного торможения), кВтч 23,674 22,26 23,37
Расход энергии на торможение (с рекуперативным торможением), кВтч — 8,902 8,857
Расход энергии на собственные нужды, кВтч 0,10844 0,10844 0,10844
Расход энергии в преобразавателе, кВтч — — 0,169
Суммарный расход энергии (без рекуперативного торможения), кВтч 48,707 46,772 50,139
Удельный расход энергии (без рекуперативного торможения), Втч/тыс. км 62,72 60,23 63,57
Возврат энергии при рекуперативном торможении, кВтч — 17,008 17,855
Итоговый расход энергии, кВтч 48,707 29,764 32,284
Удельный расход энергии, Втч/тыс. км 62,72 38,33 40,93
где ДЦ — разница стоимости между метро-поездами с ТМ ПТ и с АТМ [7-9];
ЦЭ — экономия за счёт улучшения энергетических показателей.
По результату расчета Т = 54 (года). Оказалось, что эти сроки неприемлемы (более 50 лет), и поэтому применение поездов с АТМ даже взамен серийных с эксплуатируемой системой ТЭП с ТМ ПТ экономически ущербно.
Выводы
Таким образом, приведенные в выполненном анализе результаты расчета и сведения испытаний подтверждают, что в вагонах
Список литературы
1. Нгуен Тхи Бих Ханг. Повышение эффективности функционирования пассажирских автобусных перевозок в крупнейших городах социалистической Республики Вьетнам: автореф. ... канд. техн. наук. М., 2005. 22 с.
2. 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.
метрополитена Вьетнама целесообразно применять КТМ с дискретными тиристор-ными регуляторами сил тяги и торможения, а не АТМ, тем более, что ВМ с АТМ из-за их дороговизны имеют срок окупаемости очень долгий, что очевидно неприемлемо. При реализации на ВМ с КТМ простых и проверенных на опытных образцах технических решений по совершенствованию их ТЭП [10] они не будут уступать поездам с ATM ни по одному показателю. При цене ориентировочно вдвое меньшей они будут существенно эффективнее.
3. 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.
4. Ле Суан Хонг, Тулупов В.Д. Сопоставление эффективности систем тягового электропривода электроподвижного состава // Электрооборудование, эксплуатация и ремонт. М., 2015. № 9. С. 43-48.
5. Тулупов В.Д., Ле Суан Хонг. Тягово-энергетический рейтинг вагонов метрополитена с альтернативными системами тягового электропривода // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. № 3. С. 70-79.
Мнацаканов В.А. Инновационный метропоезд «Нева». Тягово-энергетические испытания // Метро и тоннели. 2014. № 1. С. 30-34.
6. Наш транспорт (Моё метро): Интернет-ресурс. http://fomm.nashtransport. ru/index.php?showtopic= 1818.
7. Поставки вагонов в Московское метро в 2011 году: Интернет-ресурс. http:// metroblog.ru/post/3384.
8. Ле Суан Хонг, Тулупов В.Д. Оценка экономической эффективности альтернативных систем тягового электропривода Хоши-минского метрополитена // Труды X юбилейной Междунар. науч.-практ. конф. студентов и молодых ученых «Trans-Mech-Art-Chem». М.: МИИТ, 2014.
9. 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. № 4. С. 263-273.
Refrences
1. Nguen Thi Bih Hang. Povyshenie jeffektivnosti funkcionirovanija passazhirskih avtobusnyh perevozok v krupnejshih gorodah socialisticheskoj Respubliki V'etnam: avtoref. ... kand. tehn. nauk. M., 2005. 22 s.
2. Le Suan Hong, Tulupov V.D. Obos-novanie i vybor sistemy tjagovogo jelektro-privoda vagonov metropolitena // V mire nauchnyh otkrytij. 2015. № 7.8 (67). S. 3119-3130.
3. Tulupov V.D., Le Suan Hong. Srav-nitel'naja tehniko-jekonomicheskaja jeffektiv-nost' vagonov metropolitena s al'ternativnymi sistemami tjagovogo jelektroprivoda // Jelektro-tehnicheskie i informacionnye kompleksy i sistemy. 2015. № 3, T. 11. S. 30-38.
4. Le Suan Hong, Tulupov V.D. Sopos-tavlenie jeffektivnosti sistem tjagovogo jelektroprivoda jelektropodvizhnogo sostava // Jelektrooborudovanie, jekspluatacija i remont. M., 2015. № 9. S. 43-48.
5. Tulupov V.D., Le Suan Hong. Tjagovo-jenergeticheskij rejting vagonov metropolitena s al'ternativnymi sistemami tjagovogo jelektroprivoda // Izvestija Tul'skogo gosudar-stvennogo universiteta. Tehnicheskie nauki. 2016. № 3. S. 70-79.
6. Mnacakanov V.A. Innovacionnyj metro-poezd «Neva». Tjagovo-jenergeticheskie ispyta-nija // Metro i tonneli. 2014. № 1. S. 30-34.
7. Nash transport (Mojo metro): Internet-resurs. http://forum.nashtransport.ru/index. php?showtopic=1818.
8. Postavki vagonov v Moskovskoe metro v 2011 godu: Internet-resurs. http://metroblog. ru/post/3384.
9. Le Suan Hong, Tulupov V.D. Ocenka jekonomicheskoj jeffektivnosti al'ternativnyh sistem tjagovogo jelektroprivoda Hoshi-minskogo metropolitena // Trudy X jubilejnoj Mezhdunar. nauch.-pract. konf. studentov i molodyh uchenyh «Trans-Mech-Art-Chem». M.: MIIT, 2014.
10. Tulupov V.D., Le Suan Hong. Predlagaemaja sistema tjagovogo jelektroprivoda s nailuchshimi tehniko-jeko-nomicheskimi pokazateljami dlja vagonov metropolitena v krupnyh gorodah Socia-listicheskoj Respubliki V'etnam // Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tehnicheskie nauki. 2017. № 4. S. 263-273.
