Анализ расхода электроэнергии электропоездами переменного тока
Необходимые условия для рекуперации электроэнергии. Характеристики моторвагонного подвижного состава переменного тока. Статистический анализ расхода электроэнергии. Программа тяговых расчетов. Целесообразность применения режима рекуперативного торможения.
Рубрика | Транспорт |
Вид | дипломная работа |
Язык | русский |
Дата добавления | 26.11.2017 |
Размер файла | 789,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ ИМПЕРАТОРА НИКОЛАЯ II»
(МГУПС (МИИТ)
Институт «Институт транспортной техники и систем управления»
Кафедра «Электропоезда и локомотивы»
ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ
Специальность: 23.05.03 Подвижной состав железных дорог
на тему: Анализ расхода электроэнергии электропоездами переменного тока
Обучающийся Михеев А.С.
Москва 2017 г.
Содержание
- Введение
- 1. Описание особенностей режима рекуперации на участках тяговой сети переменного тока
- 1.1 Обоснование использования рекуперативного торможения на подвижном составе
- 1.2 Необходимые условия для рекуперации электроэнергии
- 1.3 Режимы напряжения в контактной сети переменного тока при рекуперации электроэнергии
- 2. Основные характеристики моторвагонного подвижного состава переменного тока, эксплуатируемого на Горьковской железной дороге
- 2.1 Электропоезд серии ЭД9М
- 2.2 Особенности эксплуатации и ведения электропоезда на линии
- 2.3 Электропоезд серии ЭД9Э
- 2.4 Особенности эксплуатации и работы силовой схемы
- 3. Статистический анализ расхода электроэнергии
- 3.1 Анализ расхода электроэнергии в пригородном движении
- 3.2 Анализ расхода электроэнергии в режиме тяги
- 4. Тяговые расчеты на исследуемых участках
- 4.1 Принцип выполнения и программа тяговых расчетов
- 4.2 Результаты произведенных тяговых расчетов
- 5. Целесообразность применения режима рекуперативного торможения
- 5.1 Целесообразность применения рекуперативного торможения по результатам статистического анализа
- 5.2 Целесообразность применения рекуперации по результатам тягового расчета
- 6. Экономическая эффективность применения рекуперативного торможения
- 6.1 Определение барьерной ставки
- 6.2 Определение денежных потоков по инвестициям
- 7. Специальная оценка условий труда в моторвагонном депо Горький - Московский
- 7.1 Нормативная база и порядок проведения специальной оценки
- 7.2 Специальная оценка условий труда и вредные факторы
- Заключение
- Список использованных источников
- Приложение
- Введение
- Железнодорожный транспорт за свою многолетнюю историю прошел большой путь и в настоящий момент занимает ключевое место в экономике страны. С развитием подвижного состава, элементов инфраструктуры и, как следствие, ростом скоростей движения, стала расти мобильность пассажиров, а также спрос на перевозки в пригородном и дальнем сообщении. Сейчас не составляет труда купить билет на скоростной или пригородный поезд и меньше чем за четыре часа приехать в центр другого города или в региональный центр.
- Пассажирские перевозки, как и любой вид услуг, не обходится без затрат ресурсов, основным из которых является электроэнергия. Принятая в 2004 году «Энергетическая программа железнодорожного транспорта до 2010 года, и на перспективу до 2020 года» [1], закрепляет роль характеристик энергоэффективности, при разработке и внедрении новых решений по техническим средствам железнодорожного транспорта. Кроме того, данная программа определяет широкое введение в эксплуатацию электропоездов серии ЭД9Э с «энергосберегающим оборудованием» на смену электропоездов предыдущего поколения. Начиная с 2014 года эти электропоезда составляют парк пригородных поездов моторвагонного депо Горький-Московский.
- Актуальность дипломного проекта состоит в существующей остроте проблемы потребления электроэнергии, особенно это касается перспективного подвижного состава, как в дальнем, так и в пригородном сообщении. На данный момент существует ряд проблем, связанных с использованием принципов экономии электроэнергии, одним из которых является рекуперативное торможение. Исторически сложилось, что весь тяговый подвижной состав постоянного тока, выпускавшийся в СССР, а позднее и в Российской Федерации, оснащался оборудованием для рекуперативного торможения. Вследствие того, что на постоянном токе рекуперация не приводила к искажению напряжения контактной сети, а наоборот, способствовала поддержанию его уровня и способствовала экономии электроэнергии, было принято решение выпускать перспективный подвижной состав переменного тока и оборудовать системой рекуперативного торможения.
- На данный момент принятые технические решения являются не очень удачными. В настоящее время стоит вопрос о снижении влияния режима рекуперации на гармонический состав питающего напряжения, учета отданной энергии в контактную сеть и возможности его передачи в первичную сеть электроснабжения или на специальные накопители энергии, установленные на тяговых подстанциях.
1. Описание особенностей режима рекуперации на участках тяговой сети переменного тока
1.1 Обоснование использования рекуперативного торможения на подвижном составе
Электрическое торможение оказывает положительный эффект на экономические и эксплуатационные показатели, особенно на участках, где происходит увеличение технических скоростей и повышение пропускной способности. При правильном использовании электрического торможения возможно осуществить ведение поезда с постоянной скоростью. При этом техническая скорость возрастает на 15-20%.
Как известно рекуперация характеризуется не только своим положительным моментом - экономией электроэнергии, но также желательно, чтобы энергия рекуперации полностью использовалась электровозами и электропоездами, которые находятся в режиме тяги на том же энергоучастке. В противном случае она гасится поглощающими резисторами тяговой подстанции, если такая подстанция не оборудована инверторами возврата электроэнергии в первичную энергосистему или альтернативными накопителями избыточной энергии, что в настоящее время является предметом исследований и опытных разработок. В любом случае часть рекуперируемой энергии теряется в контактной сети, дополнительно её загружая и увеличивая потери.
Повышенное напряжение в силовых цепях электроподвижного состава приводит к увеличению выходов из строя силового оборудования, и, как следствие, возрастанию затрат на его ремонт и замену. Особенно это касается тяговых двигателей, трансформаторов и преобразователей. При использовании рекуперативного торможения большое значение имеет такой фактор, как мастерство машиниста и знания им профиля участка.
Несмотря на то, что процент отдачи энергии в контактную сеть гораздо меньше по сравнению с её потреблением в тяговом режиме, полезные стороны рекуперации отрицать нельзя, поскольку она позволяет повысить среднее значение напряжения в контактной сети, снизить условные потери и уменьшить износ тормозных колодок.
Вопрос применения рекуперации, с точки зрения её полезных свойств, не вызывает сомнения. В данной работе внимание обращено на такие моменты, как определение разницы между теоретически возможным уровнем возврата электроэнергии при применении рекуперации с фактическим, а также оценка выполнения норм расхода электроэнергии на участке, на котором используется этот режим.
Для эффективного применения рекуперативного торможения были созданы специальные режимные карты, проводились и проводятся специальные технические занятия с целью повышения квалификационного мастерства вождения поездов в режиме рекуперации и заинтересованности локомотивных бригад в вопросе экономии электроэнергии.
1.2 Необходимые условия для рекуперации электроэнергии
Рекуперация электрической энергии возможна при соблюдении нескольких условий:
1. Скорость движения поезда по участку должна быть не менее 50 км/ч, чтобы был запас ЭДС двигателей, работающих в режиме генератора, а также был достаточный уровень напряжения в контактной сети в месте движения рекуперирующего электропоезда.
2. Машинист должен перейти в режим рекуперативного торможения и убедиться в правильности сбора схемы. На электропоездах серии ЭД9Э судить о правильности сборки схемы можно по погасшим лампочкам МПСУ (микропроцессорная система управления) и ЛК (линейный контактор), вторая лампа на пульте управления гаснет после того, как схема собрана и замыканием линейного контактора подключаются тяговые двигатели.
3. Не менее важно наличие на фидерном участке потребителя, который будет принимать необходимое для торможения количество энергии.
Наилучшим вариантом является режим, при котором вся вырабатываемая электроэнергия передается находящимся по близости потребителям, прежде всего это электроподвижной состав, следующий в режиме тяги.
Полное использование электроэнергии ЭПС, находящемся в тяговом режиме, невозможно. В момент применения машинистом рекуперативного торможения на фидерном участке может не оказаться подвижного состава следующего в режиме тяги или он следует на достаточном отдалении от рекуперирующего поезда. В любом случае токи, потребляемые ими от ЭПС, следующего в режиме рекуперации, будут небольшими, часть электроэнергии будет считаться избыточной. Данная энергия рекуперации частично будет утеряна в контактной сети, а частично - принята на инвертирующие агрегаты и поглощающие установки.
1.3 Режимы напряжения в контактной сети переменного тока при рекуперации электроэнергии
При рекуперативном торможении на участках переменного тока возникают явления, которые отсутствуют на участках, электрифицированных по системе постоянного тока. Это объясняется тем, что на участках переменного тока при рекуперативном торможении поток реактивной мощности сохраняет свое направление, как и в режиме тяги, а поток активной мощности изменяет свое направление. Прежнее направление потока реактивной мощности имеет место потому, что при инвертировании ток в первичной обмотке трансформатора опережает ЭДС первичной обмотки на некоторый угол ц, а так как напряжение на этой обмотке направлено противоположно ЭДС, то ток электровоза отстает на угол 180 - ц [3]. В режиме рекуперативного торможения значение реактивной мощности значительно возрастает, что отрицательно сказывается на качестве электроэнергии, возвращаемой в контактную сеть. В настоящее время актуальной задачей являются исследования, направленные на компенсацию, и, тем самым, снижение реактивной составляющей рекуперируемой электроэнергии.
На подвижном составе закрытие тиристорного комплекта осуществляется путем дополнительного включения дополнительной ветви, содержащей коммутирующие конденсатор и тиристор. Выключение тиристорного комплекта осуществляется разрядным током конденсатора, тогда суммарное напряжение формируется из напряжения на обкладках конденсатора и вторичной обмотки трансформатора. При этом в процессе формирования кривых тока, образуются крутые фронты напряжения, сопровождающиеся колебательными процессами. Как следствие в спектре тока появляются высшие гармоники, которые негативно влияют на коэффициент мощности электропоезда в процессе регулирования и на форму потребляемого тока. Применение зонно-фазового регулирования напряжения требует замены выпрямительно-инверторного преобразователя электропоезда, поскольку внедрение в силовую схему дополнительных коммутирующих элементов и конденсаторов приводит к существенным изменениям в его работе.
При зонно-фазовом регулировании напряжения увеличение cos ц не улучшает гармонический состав потребляемого тока, а лишь способствует его дальнейшему искажению. Для повышения энергетических показателей электропоезда требуется улучшить оба этих показателя, это может быть достигнуто при применении активных фильтров, работающих по принципу подавления гармонических искажений тока и напряжения даже при наличии резонансных процессов.
Зонно-фазовое регулирование с использованием тиристорных инверторов напряжения с контуром принудительной коммутации является нецелесообразным. Данный способ регулирования не позволяет компенсировать высшие гармоники, а лишь способствует их генерации [2].
Глобальное решение проблемы состоит в замене тиристорных инверторов на 4qS-преобразователи. Регулирование напряжения данных установок заключается в том, что электропоезд потребляет практически синусоидальный ток, совпадающий по фазе с напряжением контактной сети, при этом значение коэффициента мощности приблизительно равно единице. Данные преобразователи позволяют осуществлять: поддержание синусоидальной формы тока контактной сети; осуществление плавного регулирования тока в режиме тяги и возврат электроэнергии в контактную сеть; преобразование переменного напряжения контактной сети в выпрямленное - пульсирующее с дальнейшей стабилизацией и работу электропоезда с заданным коэффициентом мощности питающей сети.
Однако в современных условиях невозможно заменить классические выпрямительно-инверторные преобразователи на 4qS [4, 5], поскольку это потребует значительных капитальных затрат, включающих в себя дорогостоящие силовые элементы и более мощную систему их охлаждения. Кроме того, возникнет необходимость замены трансформаторов или их модернизация, а также изменение системы управления тяговым приводом электропоезда.
Одним из способов повышения коэффициента мощности является использование компенсаторов реактивной мощности. Принцип работы пассивного компенсатора реактивной мощности заключается в сокращении отставания тока от напряжения по первой гармонике. Уменьшение гармонических составляющих тока путем шунтирования третьей гармоники цепью компенсатора, настроенного на ближайшую частоту, а также ослабления ряда частот высших гармоник. Компенсатор содержит LC - цепь, которая имея емкостное сопротивление, сдвигает фазу тока в сторону опережения и сокращения отставания от фазы питающего напряжения. Данный способ имеет ряд недостатков, самым существенным, из которых является перекомпенсация реактивной мощности. Данный недостаток проявляется при малых токах нагрузки, что объясняется постоянной величиной емкостного тока, протекающего по цепи компенсатора.
Применение компенсатора с возможностью регулирования емкостного тока также имеют ряд недостатков, среди которых невозможность компенсации высших гармоник питающего тока. В результате не происходит уменьшения искажения формы тока и, как следствие, повышения коэффициента мощности.
Наилучших показателей удалось достичь при использовании гибридного компенсатора реактивной мощности, включающего в себя активную часть, содержащую тиристорное разрядное плечо и пассивную LC-цепь. Работа данного компенсатора, а также видов управляемых компенсаторов представлена в работах О.В. Мельниченко Ю.М. Кулинича и В.К. Духовникова [4, 6, 7].
Следует отметить, что без применения дополнительных средств, повышающих коэффициент мощности электропоездов и улучшающих гармонический состав питающего напряжения, экономия электроэнергии с помощью рекуперативного торможения носит фиктивный характер. Наличие пульсаций и искажений формы тока и напряжения, отдаваемого в контактную сеть, негативно влияет на режим работы электрооборудования подвижного состава, идущего в режиме тяги, и приводит к возрастанию потерь за счет наличия большой реактивной составляющей в потребляемой мощности из контактной сети.
2. Основные характеристики моторвагонного подвижного состава переменного тока, эксплуатируемого на Горьковской железной дороге
2.1 Электропоезд серии ЭД9М
Электропоезд ЭД9М предназначен для эксплуатации на участках железных дорог, электрифицированных на переменном токе, с номинальным напряжением 25 кВ частотой 50 Гц. Используется в районах с умеренным климатом.
Выходы из вагонов имеют комбинированный спуск, что позволяет эксплуатировать поезд в эксплуатацию на станции с высокими и низкими платформами.
Данный электропоезд имеет классическое секционирование: может быть составлен из 3х (6 вагонов), 4х (8 вагонов) и 5ти (10 вагонов) секций. Управление электропоездом осуществляется из кабины машиниста одного из головных вагонов. Каждый моторный вагон имеет 4 электродвигателя, получающих питание от трансформатора и выпрямительной установки, преобразующий переменный ток в постоянный. Схемы формирования электропоезда представлены на рисунке 2.1, основные характеристики электропоезда приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 - Основные технические характеристики электропоезда ЭД9М
Параметр |
Значение |
|
Конструкционная скорость, км/ч |
130 |
|
Максимальная эксплуатационная скорость, км/ч |
120 |
|
Среднее ускорение поезда при расчётной населённости на прямом горизонтальном участке пути до скорости 60 км/ч, при числе пассажиров в вагоне, равном 150% м/сІ , не менее |
0,70 |
|
Среднее замедление при электрическом торможении со скорости 80км/ч, м/сІ |
0,65 |
|
Тормозной путь со скорости 120 км/ч при максимальной населённости, м, не более: |
||
при полном электропневматическом торможении: |
1000 |
|
при экстренном пневматическом торможении: |
1080 |
|
Общая часовая мощность тяговых электродвигателей, кВт |
3520 |
|
Часовая мощность тяговых электродвигателей моторного вагона, кВт |
880 |
Рисунок 2.1 - Схема формирования электропоезда
На электропоезда ЭД9М дополнительно устанавливаются следующие системы:
- УСАВП - унифицированная система автоматизированного ведения поезда;
- КЛУБ - У - комплексное локомотивное устройство безопасности;
- САУТ - ЦМ/485 (опционально) - система автоматического управления торможением;
2.2 Особенности эксплуатации и ведения электропоезда на линии
Электропоезд имеет силовую цепь, построенную по классической схема. Она получает питание от вторичной обмотки трансформатора через выпрямитель. Величина напряжения на тяговых двигателях зависит от позиции главного контроллера, который осуществляет переключение секций вторичной обмотки трансформатора и плечи выпрямительной установки. Шунтирование обмотки возбуждения также осуществляется с помощью главного контроллера. Тормозной контроллер осуществляет сборку схемы реостатного торможения, вывод ступеней тормозного реостата, изменение уставки тока якоря. Регулирование тока якоря в режиме тяги осуществляется с помощью уставки реле ускорения (РУ), которое подает управляющий сигнал на силовой контроллер.
Рукоятка контроллера машиниста имеет два тяговых положения - маневровый «М» и автоматический пуск «1». Задатчик ставки реле ускорений имеет семь позиций, от минимального тока тяговых двигателей, равного 140 А, до максимального в 410 А. В зависимости от расписания, заполняемости поезда, а также условий сцепления колес с рельсами, машинист может менять положение регулятора, тем самым меняя интенсивность ускорения электропоезда. Значения уставок задатчика регулятора ускорения, а также блока управления реостатным торможением приведены в таблице 2.2.
Таблица 2.2 - Значения уставок задатчика регулятора ускорения и блока управления реостатным торможением
Уставка или положение контроллера машиниста: |
Ток якоря тягового электродвигателя, А |
|
У7 |
410 |
|
У6 |
365 |
|
У5 |
320 |
|
У4 |
265 |
|
У3 |
230 |
|
У2 |
185 |
|
У1 |
140 |
|
0 |
0 |
|
1Т |
100 |
|
2Т |
250 |
|
3Т |
350 |
|
4Т |
420 - 450 |
Разгон электропоезда рекомендуется осуществлять с максимальным пусковым током, установив переключатель уставки реле ускорения в крайнее положение, что позволит электропоезду разгоняться за меньшее время и за счет этого получать экономию тяговой электроэнергии при реализации одинаковой средней скорости движения. При плохом сцеплении колеса с рельсом рекомендуется переходить на меньшее значение уставки РУ.
В целях экономичного ведения электропоезда, реостатное торможение следует осуществлять с установки контроллера машиниста (КМ) в 4 тормозное положение, при котором достигается максимально возможный эффект от действия реостатного торможения.
При реостатном торможении собирается схема реостатного торможения с независимым возбуждением, который протекает в автоматическом режиме с параметрами, задаваемыми блоками управления торможения и блока тормозного реле. Для снижения тормозного эффекта машинист устанавливает рукоятку КМ в первое тормозное положение, а затем можно практически мгновенно усилить интенсивность торможения. При скорости движения менее 16 км/ч и положение рукоятки машиниста в тормозном положении произойдет срабатывание электропневматического тормоза с усилиями, задаваемыми блоком управления тормозными режимами. Схема замещения реостатного торможения электропневматическим осуществляется при неисправности или невозможности сборки силовой схемы в тормозном положении.
Схема электрических цепей моторного вагона электропоезда ЭД9М приведена на рисунке 2.2.
Согласно внутренним распоряжениям по моторвагонному депо Горький-Московский по условиям организации безопасного движения пригородных поездов и исключения проезда пассажирских платформ вследствие мягкости действия электрического торможения, осуществлять заход под посадочную платформу при скорости движения электропоезда не выше 60 км/ч. В связи с этим стоит учесть, что любое электрическое торможение обладает большей «мягкостью» действия в отличие от электропневматического, поэтому машинист при подходе к посадочной платформе, как правило, сразу применяет электропневматическое торможения для обеспечения больше интенсивности замедления.
Данные электропоезда показали высокую эффективность и надежность в эксплуатации. Классическая схема управления тягой и торможением позволяет формировать модульные электропоезда (состоящие из двух или трёх составов), для эксплуатации на маршрутах в смежном региональном сообщении.
Рисунок 2.2 - Электрическая схема моторного вагона электропоезда ЭД9М
2.3 Электропоезд серии ЭД9Э
Электропоезд серии ЭД9Э предназначен для перевозки пассажиров в пригородном сообщении. имеет систему плавного регулирования режимов тяги и электрического торможения, оборудован микропроцессорной системой управления силовым преобразователем. Разработан для работы на сети железных дорог с номинальным напряжением в контактной сети 25 кВ, частотой 50 Гц и участках, оборудованных как низкими, так и высокими посадочными платформами.
Так же, как и предыдущая серия, данный электропоезд имеет классическую схему формирования (рисунок 2.1). Среди основных преимуществ можно отметить:
1. Наличие выпрямительно-инверторного преобразователя;
2. Применение рекуперативного торможения;
3. Применение микропроцессорной системы управления для управления тяговым приводом электропоезда;
4. Повышение тягово-энергетических показателей, а также уменьшение расхода тяговой электроэнергии, в зависимости от условий эксплуатации, на 20% при применении алгоритмов плавного пуска и рекуперации;
5. Уменьшение стоимости обслуживания силовых преобразователей, систем управления и преобразователей собственных нужд.
Основные характеристики электропоезда приведены в таблице 2.3.
Применение на электропоезде микропроцессорной системы управления позволяет внедрять на электропоезде системы автоведения и диагностики, которые разрабатываются на основе режимных карт и действующего расписания движения поездов в моторвагонных депо, а также позволяет разработать гибкую систему настроек и пользовательский интерфейс, удобный для использования машинистами в пути следования.
Дополнительно на электропоезда серии ЭД9Э устанавливаются следующие устройства безопасности -- КЛУБ-У и УСАВП.
Таблица 2.3 - Основные технические характеристики электропоезда ЭД9Э
Параметр |
Значение |
|
Конструкционная скорость, км/ч |
120 |
|
Максимальная эксплуатационная скорость, км/ч |
120 |
|
Среднее ускорение поезда при расчётной населённости на прямом горизонтальном участке пути до скорости 60 км/ч, при числе пассажиров в вагоне, равном 150% м/сІ , не менее |
0,65 |
|
Среднее замедление при электрическом торможении со скорости 80км/ч, м/сІ |
0,6 |
|
Тормозной путь со скорости 120 км/ч при максимальной населённости, м, не более: |
||
при полном электропневматическом торможении: |
1000 |
|
при экстренном пневматическом торможении: |
1080 |
|
Общая часовая мощность тяговых электродвигателей, кВт |
3520 |
|
Часовая мощность тяговых электродвигателей моторного вагона, кВт |
880 |
2.4 Особенности эксплуатации и работы силовой схемы электропоезда при разных положениях контроллера машиниста
Переключение между режимами «Ход» и «Торможение» осуществляется с помощью позиций контроллера машиниста. При положениях «Ход 1» … «Ход 5» сигнал с пульта управления отправляется в моторный вагон, где поступает на вход блока задания уставок, что соответствует заданию уставки тока в режиме тяги от 200 до 400 А. При постановке контроллера машиниста в положение «0» снимается сигнал со входов «Ход» микропроцессорной системы управления, отключается переключатель ход-тормоз и его вал возвращается в исходное положение, при этом выпрямительно-инверторный преобразователь создает буферный контур, через который происходит разрядка энергии тяговых двигателей и сглаживающих реакторов, через полсекунды, по сигналу реле времени отключаются линейные контакторы и поезд следует в режиме выбега.
Для перевода электропоезда в режим электрического торможения при независимом возбуждении тяговых двигателей от тиристорных выпрямителей, работа которых осуществляется с помощью сигналов от микропроцессорной системы управления. Подготовка силовой схемы осуществляется при постановке контроллера машиниста в положение «0». Вал тормозного переключателя находится в положении «Тормоз», группы якорей тяговых двигателей подключаются к выпрямительно-инверторному преобразователю через соответствующие диоды и балластные резисторы. При электрическом торможении выпрямительно-инверторный преобразователь работает в режиме инвертора, преобразуя постоянный ток, генерируемый тяговыми двигателями в переменный, который затем отдается в контактную сеть.
Питание обмоток возбуждения осуществляется от дополнительных обмоток тягового трансформатора на низкой стороне, подключенного к ним через блоки тиристоров. Они выполняют роль выпрямителей и регуляторов напряжения. Всего на моторном вагоне установлено два таких блока, которые питают по две обмотки возбуждения, соединенные последовательно.
Балластные резисторы в цепи обмоток возбуждения необходимы для обеспечения устойчивости процесса рекуперации и улучшения токораспределения между параллельными группами тяговых двигателей.
В режиме рекуперативного торможения при высоких скоростях движения, тормозная сила регулируется плавным изменением тока возбуждения тяговых двигателей, на средних и низких скоростях - изменением напряжения выпрямительно-инверторного преобразователя, работающим в инверторном режиме. схема силовых цепей моторного вагона приведена на рисунке 2.3
В отличии от электропоездов серии ЭД9М управление уставками реле ускорения не выносятся на отдельный переключатель, а располагаются на рукоятке контроллера машиниста в виде позиций. Пуск электропоезда осуществляется путем постановки контроллера машиниста в положение «Ход М», поезд придет в движение с минимальным ускорением, дальнейший разгон производить при установке рукоятки в положение «Ход 1» … «Ход 5», тем самым меняя уставки ускорения с учетом профиля пути. Допускается менять положения рукоятки контроллера машиниста, при этом эффективность регулировки уставок эффективно только до скорости 70 км/ч.
При переходе в режим выбега и осуществление повторного пуска допускается с выдержкой в нулевом положении не менее 3 секунд. Это позволит избежать возможных перегрузок в работе оборудования при переходе электропоезда на более сложный профиль пути.
Рисунок 2.3 - Схема электрических цепей моторного вагона электропоезда ЭД9Э
При длительном следовании в режиме тяги для поддержания постоянной скорости допускается осуществлять пуск электропоезда рекомендуется производить при положении рукоятки контроллера машиниста в положениях «Ход 1 или 2» с выдержкой в течении 10 секунд и последующим переводом в маневровое положение.
Электрическое торможение следует начинать постановкой рукоятки контроллера машиниста в положение «Тормоз 1» … «Тормоз 4», усиление тормозного эффекта переводом рукоятки в 4-е тормозное положение допускается при скорости движения ниже 105 км/ч во избежание повышенного искрения на коллекторах тяговых электродвигателей.
Значения токов уставки в режиме тяги и электрического торможения приведены в таблице 2.4.
Таблица 2.4 - Значение токов уставки тяговых электродвигателей
Положение рукоятки контроллера машиниста |
Ток уставки, А |
|
Ход 5 |
400 |
|
Ход 4 |
350 |
|
Ход 3 |
300 |
|
Ход 2 |
250 |
|
Ход 1 |
200 |
|
Ход М |
100 |
|
0 |
0 |
|
Тормоз 1 |
100 |
|
Тормоз 2 |
200 |
|
Тормоз 3 |
280 |
|
Тормоз 4; 5 |
350 |
На данной серии электропоездов реализована система зонно-фазового регулирования с числом зон, равным трём. Такая конструкция силовой цепи направлена на плавное изменение напряжения на зажимах тягового двигателя. Применение бесконтактных элементов в инверторах способствует: повышению коэффициента полезного действия системы, сокращению износа (по сравнению с групповыми контроллерами и переключателями), увеличению быстродействия.
Использование на подвижном составе выпрямительно-инверторных преобразователей позволило реализовать рекуперативное торможение на участках железных дорог, электрифицированных переменным током.
На электропоезде ЭД9Э установлен выпрямительно-инверторный преобразователь ВИП - 1000У1. Согласно спецификации, заявленная экономия электроэнергии при рекуперативном торможении составляет 15%, однако на практике из-за ряда технических недостатков и алгоритма управления, данный показатель снижается.
По последним данным Горьковской дирекции моторвагонного подвижного состава, на сети Горьковской железной дороги, при применении рекуперативного торможения зафиксирован рост потерь электроэнергии в контактной сети. В настоящее время проводится ряд тестовых поездок в режиме сопровождения локомотивных бригад, при участии служб электроснабжения с целью выявить причины и разработать план мероприятий по повышению эффективности рекуперации на переменном токе.
Были изучены маршруты машинистов и собраны данные по расходу электроэнергии в период с мая по сентябрь 2016 года, на основе которых проведен статистический анализ.
3. Статистический анализ расхода электроэнергии
3.1 Анализ расхода электроэнергии в пригородном движении
Моторвагонное депо Нижний Новгород - Московский является основным депо Горьковской дирекции моторвагонного подвижного состава, обслуживающее несколько направлений. В составе работников депо находится 8 колон локомотивных бригад: 5 из которых обслуживают «главный ход», который составляет тяговое плечо Ковров - Н.Новгород - Пижма, одна колонна за которой закреплено плечо до Заволжья, муромская колонна и машинисты - тепловозники, которые заняты на не электрифицированном участке Н.Новгород - Металлист. Поскольку за каждым направлением закреплены одни и те же локомотивные бригады, то уровень затрат электроэнергии зависит от достоверности учета показателей машинистами, а также погрешности счетчиков. Основным учетным показателем расхода электроэнергии примем на 1 км пробега. Причем данный показатель будем использовать независимо от маршрута.
В зависимости от качества работы машинистов расход и норма затрат электроэнергии на поездку может разниться, как при работе на одной серии электропоездов, так и между электропоездами разных серий на маршруте.
Максимальное значение расхода электроэнергии на участках приведено в таблице 3.1. Данные из маршрутов машинистов приведены в приложение А
Таблица 3.1 - Максимальный расход энергии электропоездами на маршрутах.
Показатели |
ЭД9М |
ЭД9Э |
|||
Заволжье |
Урень |
Заволжье |
Урень |
||
Пробег, км |
58 |
183 |
58 |
183 |
|
Максимальный расход, кВт*ч |
605 |
1775 |
647 |
1272 |
|
Удельное значение, кВт *(ч/км) |
10,43 |
9,69 |
11,16 |
6,95 |
С прибытием нового подвижного состава в депо, при работе машинистов-инструкторов с локомотивными бригадами особое внимание уделяется применению электрического торможения и правильности ведения поездов по перегонам. При большом количестве остановок важно соблюдение расписание и выдержка интервального времени хода.
В связи с этим была разработана рекомендация, при которой, в случаях выхода поезда из графика, ограничить применение рекуперативного торможения до скорости 40 км/ч, в силу «мягкости» тормозного эффекта.
Участок Н.Новгород - Урень является сложным с точки зрения плана и профиля пути, этому способствует большое количество кривых различного радиуса, большое расстояние между раздельными пунктами, сложный продольный профиль. Данный участок является грузонапряженным и опоздание пригородных и пассажирских поездов влечет за собой задержку маршрутов грузовых поездов. Поэтому от машиниста требуется в зависимости от метеорологических условий, режима движения и различных нештатных ситуаций, держать поезд в графике и следовать с максимально допустимой скоростью. Максимальная эксплуатационная скорость пригородных электропоездов составляет 110 км/ч, длинна участка по главным путям равна 183 километра, заполняемость пригородных поездов в летний период 98,5%.
Участок Нижний Новгород - Заволжье выполняет функции обслуживания пассажиров в пригородном сообщении и служит транспортным узлом для ежегодного фестиваля Alpha Future People. Максимальная эксплуатационная скорость на данном участке, согласно [13, 14], составляет 70 км/ч. Данное направление, согласно не является грузонапряженным. Парк поездов, эксплуатируемых на данном участке на 80% состоит из новых электропоездов серии ЭД9Э. Длинна участка по главным путям равна 58 километров, заполняемость пассажирами в летний период 86,9 %.
Помимо режима ведения поезда, на расход энергии оказывает влияние ряд других факторов, таких как: индивидуальные технические особенности электропоездов, колебания напряжения контактной сети, несинхронная работа моторных секций, разность ускорений.
В качестве руководства для локомотивных бригад были созданы режимные карты, пример которых приведен в таблице 3.2.
Спецификой пригородного движения является работа прикрепленными бригадами. В маршрутный лист данные по расходу электроэнергии в режиме тяги заносятся по прибытию на конечную станцию тягового плеча, а данные по рекуперации за оборот.
В дипломном проекте будет произведен анализ расхода электроэнергии в режиме тяги и для электропоездов серии ЭД9Э составлен анализ по рекуперации электроэнергии.
Статистические распределения случайной величины - абсолютного и удельного расхода энергии, можно определить несколькими способами:
(3.1)
(3.2)
Они идентичны по структуре, поскольку в первом приближении массу поезда можно не учитывать (и не учитывают во втором варианте), а длина участка является постоянной в данной выборке.
При нормировании электроэнергии предусмотрен учет расхода электроэнергии на собственные нужды, отопление и вентиляцию. Данный показатель имеет фиксированное значение и составляет 60 кВт • ч.
На расход электроэнергии в пригородном движении оказывает влияние несколько групп факторов. Составляя выборку из данных, представленных в маршрутах машинистов удалось свести число факторов к одной группе «переменных факторов». Полный перечень представлен на рисунке 3.1.
Вычисления будем производить следующим образом:
1. Найдем значение математического ожидания
,(3.1)
2. Выберем число интервалов К по правилу Старджесса:
,(3.2)
В пределах выбранного количества интервалов строим гистограммы плотности распределения случайных величин.
Таблица 3.2 - Пример составления режимной карты для вождения поездов по участку.
Место включения тяги |
Vнач, км/ч |
V сброса тяги |
Место сброса тяги |
|
Горький-Московский |
0 |
25 |
440 пк. 5 |
|
441(6) |
40 |
90 |
442 |
|
444 |
70 |
80 |
445 |
|
448 |
60 |
100 |
449 |
Рисунок 3.1 - Факторы, влияющие на энергозатраты
3.2 Анализ расхода электроэнергии в режиме тяги
На рисунках 3.2 - 3.4 представлены плотности распределения расхода электроэнергии в режиме тяги на участке Нижний Новгород - Заволжье за оборот по маршруту.
Рисунок 3.2 - Плотность распределения расхода электроэнергии электропоезда серии ЭД9М на маршруте Нижний Новгород - Заволжье - Нижний Новгород
Рисунок 3.3 - Плотность распределения расхода электроэнергии электропоезда серии ЭД9Э на маршруте Нижний Новгород - Заволжье - Нижний Новгород
Оценку однородности выборок произведем через доверительный интервал, включающий в себя параметр математического ожидания с заданной надежностью, поэтому:
(3.1)
Согласно выражению:
(3.2)
где - значение аргумента;
- математическое ожидание случайной величины, кВт • ч;
n - объём выборки;
- среднеквадратическое отклонение от математического ожидания;
- точность оценки.
Отсюда полученный доверительный интервал от математического ожидания с заданной надежностью:
(3.3)
Точность оценки доверительных интервалов математического ожидания производилась по формуле:
(3.4)
Принятая надежность оценки г = 0,95. С заданной надежностью доверительный интервал охватывает диапазон возможных средних значений расхода электроэнергии в заданной выборке.
По таблице t - критерия Стьюдента, для доверительной вероятности, равной 0,95 и размеру выборки в 69 единиц, принимаем:
(3.4)
Имеем:
- среднее значение расхода электроэнергии;
- размер выборки;
Отсюда получаем:
1. нижняя граница доверительного интервала:
(3.5)
2. верхняя граница доверительного интервала:
(3.6)
Результаты статистического анализа приведены в таблице 3.3.
Выборки не являются однородными. Средний расход электроэнергии на электропоездах ЭД9Э ниже, чем на ЭД9М, однако если произвести учет расхода на кондиционирование пассажирских вагонов, то расход электроэнергии будет примерно равным.
Обладая системой плавного регулирования тяговых двигателей, потребление тока в режиме тяги может быть снижено, за счет меньших бросков тока, чем при ступенчатом регулировании.
Таблица 3.3 - Результаты статистического анализа расхода электроэнергии на маршруте Нижний Новгород - Заволжье - Нижний Новгород
Статистический параметр |
ЭД9М |
ЭД9Э |
Результат, % |
|
Объем выборки |
69 |
69 |
- |
|
Математическое ожидание, кВт • ч |
981,83 |
844,84 |
13,95 |
|
Нижняя граница доверительного интервала, кВт • ч |
958,88 |
815,95 |
14,91 |
|
Верхняя граница доверительного интервала, кВт • ч |
1004,8 |
873,74 |
13,04 |
|
Среднеквадратическое отклонение, кВт • ч |
95,551 |
120,34 |
- |
|
Минимальное значение, кВт • ч |
784 |
460 |
41,33 |
|
Максимальное значение, кВт • ч |
1220 |
1320 |
-8,20 |
Рисунок 3.4 -Плотность распределения расхода электроэнергии на маршруте Нижний Новгород - Заволжье - Нижний Новгород
Распределение расхода электроэнергии на маршруте Нижний Новгород - Урень - Нижний Новгород приведено на рисунке 3.5 - 3.7.
Результат статистического анализа приведен в таблице 3.4.
Таблица 3.4 - Результаты статистического анализа расхода электроэнергии на маршруте Нижний Новгород - Урень - Нижний Новгород
Статистический параметр |
ЭД9М |
ЭД9Э |
Результат, % |
|
Объем выборки |
42 |
42 |
- |
|
Математическое ожидание, кВт • ч |
2895,4 |
2380,4 |
17,79 |
|
Нижняя граница доверительного интервала, кВт • ч |
2732,2 |
2246,4 |
17,78 |
|
Верхняя граница доверительного интервала, кВт • ч |
3058,5 |
2514,4 |
17,79 |
|
Среднеквадратическое отклонение, кВт • ч |
523,85 |
430,3 |
- |
|
Минимальное значение, кВт • ч |
1996,8 |
1550 |
22,38 |
|
Максимальное значение, кВт • ч |
4140 |
3220 |
22,22 |
Рисунок 3.4 - Плотность распределения расхода электроэнергии электропоезда серии ЭД9М на маршруте Нижний Новгород - Урень - Нижний Новгород
Как и в предыдущем случае выборки не являются однородными, разница в расходе электроэнергии между сериями не превышает 18%.
Основные причины, оказывающие влияние на расход электроэнергии следующий:
1. При работе прикрепленными бригадами происходит искажение данных учета электроэнергии;
2. Количество остановок на маршруте;
3. Следование в режиме нагона;
4. Техническое состояние электропоездов;
5. Использование реостатного торможения на электропоезде ЭД9М.
Плотность и параметры распределения рекуперируемой энергии торможения электропоездов ЭД9Э представлено на рисунках 3.5 - 3.6 и в таблице 3.5.
Рисунок 3.5 - Плотность распределения расхода электроэнергии электропоезда серии ЭД9М на маршруте Нижний Новгород - Урень - Нижний Новгород
Рисунок 3.6 - Распределение рекуперируемой энергии на маршруте Нижний Новгород - Заволжье - Нижний Новгород
Таблица 3.5 - Параметры распределения рекуперируемой энергии на маршрутах
Статистический параметр |
Заволжье |
Урень |
|
Объем выборки |
69 |
42 |
|
Математическое ожидание, кВт•ч |
166,09 |
419,76 |
|
Среднеквадратическое отклонение, кВт•ч |
50,91 |
164,87 |
|
Минимальное значение, кВт•ч |
20,00 |
20,00 |
|
Максимальное значение, кВт•ч |
280,00 |
860,00 |
Рисунок 3.7 - Распределение рекуперируемой энергии на маршруте Нижний Новгород - Урень - Нижний Новгород
4. Тяговые расчеты на исследуемых участках
4.1 Принцип выполнения и программа тяговых расчетов
Методика проведения тяговых расчетов подробно приведена в [8, 9] и заключается в подготовке плана и профиля пути путем спрямления кривых участков пути и приведение уклонов по известным правилам, подготовки характеристик подвижного состава и поведения моделирования, путем решения уравнения движения поезда по участку.
Тяговая характеристика показывает зависимость силы тяги локомотива от скорости движения . Силу тяги на ободе колесных пар электропоезда рассчитывают по формуле
, (4.1)
где - сила тяги одного двигателя, кН
- число тяговых электродвигателей электропоезда
Поскольку на электропоездах происходит автоматический пуск тяговых двигателей, то в [8] приведены тяговые характеристики в зависимости от уставки реле ускорения.
Ограничениями тяговых характеристик является:
- ток тяговых двигателей;
- эксплуатационная скорость движения.
Ограничением по току тяговых двигателей служит максимальный ток уставки реле ускорения, а ограничением по эксплуатационной скорости - постоянно действующие ограничения скорости.
Профиль железнодорожного пути состоит из отдельных элементов, отличающихся длиной и крутизной уклона . При выполнении расчетов, связанных с движением поезда, число элементов профиля пути уменьшают за счет спрямления элементов, при котором несколько элементов с различными уклонами заменяют одним уклоном - спрямленным участком. Такая замена позволяет упростить расчеты и до некоторой степени сгладить изменение сил дополнительного сопротивления движению при переходе с одного элемента профиля пути на другой.
Подготовку профиля и плана пути осуществляют следующим образом
- проводят спрямление продольного профиля пути;
- выполняют замену сопротивления движению поезда от кривых фиктивным подъемом.
Элементы профиля пути на станциях с прилегающими элементами пути перегонов не спрямляют. Горизонтальные элементы присоединяют или к спускам, или к подъемам, как это удобно для расчета, если длина этих элементов менее длины поезда
Спрямленный уклон определяют по формуле:
,(4.2)
где - уклон любого действительного элемента профиля пути, ;
- длина любого действительного элемента профиля пути, входящего в спрямляемый элемент, м;
- длина спрямляемого элемента, м.
.(4.3)
После спрямления элементов проводят проверку допустимости спрямления этих элементов по формуле
,(4.4)
где - длина элемента профиля пути, м;
- абсолютная разность между уклонами спрямляемого участка и проверяемого элемента, ‰;
.(4.5)
Проверке подвергаются все элементы, входящие в спрямляемый участок. Если при проверке длина хотя бы одного из спрямленных элементов профиля не удовлетворяет условию (4.4), то такое спрямление вводить в дальнейшие расчеты не разрешается.
В данном тяговом расчете будет моделироваться движения пригородного электропоезда с количеством вагонов, равным 6-ти единицам. Вес тары и поезда с пассажирами приведен в таблице 4.1.
Таблица 4.1 - Расчетные параметры электропоездов
Параметр |
Значение |
|
Число моторных вагонов, шт. |
3 |
|
Число прицепных вагонов (в т.ч. головные), шт. |
3(2) |
|
Вес моторного вагона, т |
64,1 |
|
Вес прицепного вагона, т |
39,5 |
|
Вес головного вагона, т |
43 |
|
Вес тары электропоезда, т |
318 |
|
Средний вес одного пассажира, кг |
80 |
|
Вместимость моторного вагона, чел |
248 |
|
Вместимость прицепного вагона, чел |
249 |
|
Вместимость головного вагона, чел |
205 |
|
Общая вместимость электропоезда, чел |
1403 |
|
Полный вес электропоезда, т |
430 |
Для создания модели электропоезда, необходимо определить силы, действующие на поезд. Это удельные ускоряющие силы, удельные тормозные силы, для характеристик механического и электрического торможения, а также основное удельное сопротивление.
Ускоряющие, тормозные силы и силы удельного сопротивления, действующего на электропоезд, рассчитываются по следующим зависимостям:
,(4.6)
,(4.7)
, (4.8)
, (4.9)
где - удельная ускоряющая сила, кгс/тс;
- удельное сопротивление движению поезда в режиме тяги, кгс/тс;
- удельное сопротивление движению поезда на выбеге, кгс/тс;
- удельная сила при служебном торможении, кгс/тс;
- сила тяги, значения принимаются согласно [8], кгс,
Q - вес электропоезда, тс.
Удельные тормозные силы в режиме рекуперативного и реостатного торможения рассчитываются по формуле:
, (4.10)
где - тормозная сила при электрическом торможении, кгс;
- вес поезда, т;
- основное удельное сопротивление движению поезда, кгс/тс.
При построении кривой v(S) необходимо соблюдать следующие правила: необходимо, чтобы все параметры, входящие в уравнение движения поезда были выбраны из одной системы измерения; на кривой v(S) наносятся все существующие ограничения по скорости; скорость поезда стремиться к установившейся скорости, поэтому прежде чем начать строить кривую, нужно определить установившуюся скорость движения; должно следовать чередование тяга - выбег - торможение и наоборот; полюс построения кривой скорости совпадает с величиной уклона в тысячных, на котором строят кривую скорости.
основой для построения кривой времени t(S) является построенная диаграмма кривой скорости v(S).
Кривые токов двигателей - полного и активного (Id(S) и Ida(S) соответственно) строят на том же планшете, где были построены кривые v(S) и t(S). Масштаб при этом выбирают исходя из удобства пользования токовыми характеристиками и соблюдая масштабные ряды.
Построение кривой Id(S) для электропоездов переменного тока ведут, используя характеристики v(S). По этой характеристике определяют ток тягового двигателя (согласно токовым характеристикам электропоезда) в режиме тяги (или в режиме рекуперативного торможения) в точках излома кривой скорости. Режим работы двигателей устанавливают по тем особым отметкам, которые были нанесены при построении кривой скорости v(S). Аналогично строим кривую Ida(S) в режиме тяги.
Учет расхода электроэнергии при тяговом расчете производится по кривой активного тока, путем преобразования токовых характеристик, приведенных в [8], с учетом числа секций электропоезда.
В результаты тяговых расчетов будет найдена энергоемкость исследуемых участков, что соответствует расходу электроэнергии при движении без остановок. Также будет определен расход электроэнергии при использовании различных тормозных средств при движении со всеми остановками, согласно действующему расписанию.
Программа тяговых расчетов представлена на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1 - Программа тяговых расчетов для исследуемых серий электропоездов
4.2 Результаты произведенных тяговых расчетов
По результатам тяговых расчетов основной интерес представляет удельный расход электроэнергии. При моделировании были построены кривые скорости, токовые кривые и зависимость расхода электроэнергии от пути.
Был произведен расчет энергоемкости участка, путем моделирования движения электропоезда без остановок по исследуемому участку. Результаты приведены в таблице 4.2.
Для определения максимального расхода электроэнергии выполнены тяговые расчеты по исследуемым участкам со всеми остановками. Расчет для электропоезда ЭД9Э произведен без использования рекуперативного торможения и с его использованием до скорости равной 40 км/ч. Результаты моделирования приведены в таблице 4.3 и 4.4.
Разница между результатами тяговых расчетов и статистических данных заключается в недостатках алгоритма тягового расчета и загрублении характеристик электропоездов.
Согласно токовым характеристикам, приведенным в [8], разгон электропоезда осуществляется при максимальных токах, а также не учтено наличие пусковых позиций и расчет осуществляется по ограничениям, соответствующим уставке реле ускорения.
Таблица 4.2 - Энергоемкость маршрутов по сериям электропоездов
Параметр |
Нижний Новгород - Заволжье |
Нижний Новгород - Урень |
|||
ЭД9М |
ЭД9Э |
ЭД9М |
ЭД9Э |
||
Расход электроэнергии, кВт•ч |
377,62 |
491,59 |
2081,7 |
2653,31 |
|
Удельный расход электроэнергии, |
213,51 |
277,94 |
356,21 |
454,02 |
|
Расстояние, км |
58 |
58 |
182,7 |
182,7 |
|
Время хода, мин |
51 |
51 |
113 |
113 |
|
Среднетехническая скорость, км/ч |
64,8 |
64,5 |
96,8 |
96,9 |
Таблица 4.3 - Результаты тяговых расчетов на участке Нижний Новгород - Заволжье
Серия |
Параметр |
Вес электропоезда |
|