Возможность применения новых типов аккумуляторных батарей на тепловозах

В то время как один и тот же полный заряд и энергия одинаковы для обоих вариантов, диапазон полезного рабочего напряжения для второго варианта соединения больше, чем для первого, тем самым он будет выгоднее.

Поскольку обе батареи конденсаторов хранят одно и тоже значение полной энергии, последовательная цепь ячеек с более низким напряжением имеет больший процент заряда впустую или непригодного для использования. В этом случае, чем выше будет напряжение в цепи последовательно соединенных ячеек, тем возможности конденсатора будут использоваться в большей степени.

Следующая трудность возникает при рассмотрении вопроса о том, как зарядить SC bank. Первоначально, когда напряжение SC составляет 0В, генератор SW1 работает в состоянии, близком к короткому замыканию в течение довольно длительного периода время из-за высокой емкость. Регулятор SW1 может застрять в этом режиме и не зарядить SC. Для защиты SC и SW1 необходимо дополнительно ограничить функцию заряжающего тока в начале стадии зарядки. Хорошее решение для SW1-это обеспечить непрерывный зарядный ток в течение длительного времени при почти нулевом выходном напряжении.

Существуют различные методики для зарядки суперконденсаторов. Постоянный ток/постоянное напряжение (CICU) чаще всего используются как наиболее предпочтительный метод. Графики зарядного тока и напряжения конденсатора показаны на рисунке 2.6. В начале зарядного цикла, заряжающее устройство (SW1) работает в режиме постоянного тока, обеспечивая SC постоянным током таким образом, что напряжение суперконденсатора линейно возрастает. Ионистор заряжается до требуемого напряжения, при котором дальнейшая кривая функции напряжения становится неизменной, что позволяет точно контролировать уровень заряда SC, для того чтобы избежать чрезмерной зарядки.

Возвращаясь назад к блок-схеме (рисунок 2.5) как к примеру, с основным источником питания 48 В, напряжением банка SC 25 В и нагрузкой с напряжением 3.3 В, 5 В, 12 В, и тд. синхронно понижающие функции для генераторов SW1 и SW2 являются целесообразными. Основной задачей, связанной с зарядкой SC, является выбор технологии для SW1. Идеальное решение для генератора SW1 требует функциональных возможностей управления питанием, при которых система способна работать с высоким входным напряжением 48 В и выходным 25 В, а также должна обеспечиваться возможность регулировки постоянного тока/постоянного напряжения.

Рисунок 2.6 График зарядного тока и напряжения конденсатора при CICU регулировании

Для зарядки суперконденсаторов можно использовать источники постоянного тока, постоянного напряжения, включенную параллельно с конденсатором батарею, топливный элемент, преобразователь постоянного тока и т.п. В случае применения батареи для снижения зарядового тока конденсатора и продления срока жизни батареи целесообразно последовательно с конденсатором включать резистор с низким сопротивлением, при этом следует обратить внимание на то, чтобы клеммы конденсатора были присоединены к нагрузке непосредственно, а не через резистор. Максимально рекомендуемый зарядный ток I = V0/5R, где V0 - зарядное напряжение, а R - полное сопротивление суперконденсатора. Разогрев конденсатора из-за перегрузки по зарядному току или напряжению может привести к увеличению ESR, выделению паров электролита, сокращению жизненного цикла или даже к разрушению прибора.

Рассмотрим функциональную схему комбинированной энергоустановки на примере энергетической системы транспортных средств, включающей в себя двигательную установку, генератор, электродвигатель, систему накопления энергии и систему управления (рисунок 2.7).

Рисунок 2.7 Функциональная схема гибридной энергетической установки Двигательная установка представляет собой двигатель внутреннего сгорания. Генератор и электродвигатель представляют собой электрические машины как правило переменного тока, работающие по специальным алгоритмам под контролем системы управления.

Система накопления энергии, построенная на базе суперконденсаторов, включает в себя устройства, необходимые для реализации циклов накопления

энергии от генератора и от электромотора в режиме рекуперации, и отдачи энергии в момент трогания с места или разгона.

Система управления и диагностики предназначена для реализации управляющих воздействий машиниста, обеспечения совместной работы всех агрегатов комбинированной энергоустановки, а также решения задач диагностики, контроля и информирования.

Наиболее распространенная функциональная схема комбинированной энергоустановки, выполненная по принципу последовательного соединения агрегатов (рисунок 2.7), работает следующим образом: генератор, механически связанный с двигательной установкой в виде ДВС или газовой турбины, питает электромотор, приводящий в движение механический привод транспортного средства. Поскольку мощность двигательной установки выбирается из расчета обеспечения режима движения с постоянной скоростью, в режиме трогания и разгона электродвигатель питается также от системы накопления энергии, выполненной на базе суперконденсаторов. Первоначально система накопления энергии питается от генератора, а далее после обеспечения совместно с генератором разгона транспортного средства, заряжается в процессе торможения от электромотора, работающего в режиме генератора.

2.5 Необходимость балансировки напряжений при заряде ионисторов

При зарядке последовательно соединенных суперконденсаторов надо учитывать явление балансировки напряжений. На рисунке 2.8 показана упрощенная эквивалентная схема суперконденсатора.

Эта схема показывает основные причины необходимости балансировки. Значения компонентов являются функцией температуры, срока службы и производственных допусков. Срок службы увеличивает последовательное сопротивление Rs и ток утечки Ileak, при этом емкость С уменьшается. Этот процесс неодинаков в каждом ионисторе. Поэтому, когда суперконденсаторы последовательно соединяются, возникают различия напряжения энергетических ячеек, вызванные разницей эквивалентного последовательного сопротивления ячеек, и состояния заряда/емкости, вызванные неодинаковым током утечки из-за разницы эквивалентного параллельного сопротивления. Принципы балансировки напряжения могут быть классифицированы как активная и пассивная. При пассивной балансировке разница напряжения каждой ячейки непрерывно балансируется, что приводит к повышенной потере мощности.

Рисунок 2.8 Упрощенная схема балансировки суперконденсатора На данной схеме приняты следующие обозначения:

Ucell - напряжение ячейки суперконденсатора; Uc - напряжение на емкости С;

URs - напряжение на Rs;

Rs - эквивалентное последовательное сопротивление; Rp - эквивалентное параллельное сопротивление;

Icell - ток, протекающий через ячейку; Ileak - ток утечки;

Ic - ток смещения;

C - емкость суперконденсатора.

Активная балансировка обычно реализуется с помощью контроллера с индивидуальной системой заряда. Наиболее часто используются две схемы пассивной балансировки, называемые фиксированная и дифференциальная схемы балансировки. Фиксированная схема балансировки включает резистор, подключаемый параллельно суперконденсатору, при достижении верхнего порога напряжения и разрывает цепь при достижении нижнего порога напряжения. Дифференциальная схема балансировки также работает с параллельно подключенным резистором, однако к ней происходит сравнение напряжения ячейки с соседними ячейками и разряд ячейки через параллельный резистор, если разница напряжений на ячейках превышает допустимое значение.

Проведенные исследования подтвердили увеличение срока службы наиболее слабых ячеек на 180% с обеспечением хорошей эффективности при использовании модели фиксированной балансировки напряжения. Дифференциальная схема балансировки не защищает наиболее слабые ячейки от негативного влияния напряжения (происходит только усреднение по времени напряжения ячеек). Данная модель показала более низкое увеличение срока службы наиболее слабых ячеек (60%) при некотором снижении эффективности. Однако, при дифференциальной схеме балансировки диапазон используемого напряжения гораздо шире, по сравнению с фиксированной, это позволяет балансировать ячейки с более низким напряжением и, таким образом, позволяет системе функционировать до достижения критических условий работы ячейки, одновременно сокращая потери. Принимая это во внимание, дифференциальная схема балансировки может быть более эффективной, по сравнению с фиксированной. Другие, более совершенные системы пассивной балансировки могут включать в себя ограничения температурной компенсации напряжения, исключать активацию балансировки при коротких пиках напряжения в конце заряда и прогнозируемую балансировку.

3. Электрооборудование для работы проектируемого локомотива и определение его параметров

3.1 Выбор аккумуляторной батареи

Проектирование гибридного подвижного состава будет осуществлено на основе маневрового локомотива ТЭМ18ДМ. Мощность двигателя у данной тяговой единицы составляет 882.6 кВт. В ходе дипломного проекта локомотив будет лишен дизельного двигателя, а всю его мощность будут компенсировать аккумуляторные литий-ионные батареи [5].

Исходя из того, что 1 кВтч ? 3,6 МДж, то на развитие полученного значения кинетической энергии необходимо затратить 1400 Втч.

Локомотив будет оснащен аккумуляторными литий-ионными батареями, производства компании «Лиотех». В таблице 3.1 приведены параметры АКБ [13].

Таблица 3.1 - Параметры АКБ

КПД литий-ионной батареи составляет порядка 60%, а преобразователь, необходимый для подзарядки накопителя работает с эффективностью 97%. Для обеспечения оптимального ресурса батареи (число циклов заряда/разряда), глубину разряда следует поддерживать в пределах 70-80%.

Для заряда блока батарей, на каждую из них требуется установить системы балансировки заряда, типичный вид которых показан на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 Внешний вид системы балансировки заряда

Исходя из того, что все батареи в блоке соединены последовательно, то габаритные размеры конструкции, мм, составят: 34720/106/337. С учетом полученных размеров блока и пространства локомотива, в которое можно поместить накопители, расположим наши АКБ в пять рядов, не нарушая при этом их последовательное соединение. Тогда габаритные размеры конструкции будут следующие: 6944х530х337.

Определена электроэнергия, затрачиваемая в течение одного часа работы локомотива при различной массе состава. Учитывая, что емкость батарей неизменна (1400 Втч), было рассчитано время работы для каждой из масс возможного состава. На основании полученных результатов построены графики зависимости времени работы локомотива от массы состава, представленные на рисунке 3.2.



Рисунок 3.2 Графики зависимости времени работы локомотива от массы состава

3.2 Импульсный преобразователь напряжения

Для регулирования напряжения подводимого к тяговым двигателям в проектируемом локомотиве использован одноключевой импульсный преобразователь, принципиальная схема которого представлена на рисунке 3.3.

Алгоритм работы данной схемы следующий: в момент времени, когда транзистор VT1 закрыт ток нагрузки, за счет накопленной энергии в катушках индуктивности, протекает по контуру ОЯ-ОВ-VD0-СР. После того как транзистор получил управляющий сигнал, происходит его открытие, диод VD0 в этот момент запирается, и нагрузка подключается к источнику питания, при этом ток протекающий через VT1 становится равным току нагрузки. Далее система управления запирает транзистор, и все процессы повторяются.



Рисунок 3.3 Принципиальная схема импульсного преобразователя напряжения

Для обеспечения оптимальной работы преобразователя, на его входах и выходах необходимо установить фильтровые элементы. Энергия, выделяемая аккумуляторной батареей через входной фильтр поступает на преобразователь. После формирования прямоугольного напряжения, энергия от преобразователя через выходной фильтр поступает на тяговые двигатели. Выходной фильтр служит для сглаживания пульсаций тока и его поддержания при запертом транзисторе [9].

Для зарядки аккумуляторной батареи от источника питания, в данном случает от беспроводной системы заряда батарей, необходимо установить понижающий преобразователь постоянного напряжения. Преобразователь будет осуществлять импульсное регулирование напряжения, подводимого к батарее. В схеме регулятора имеется токоограничивающий реактор, необходимый для получения оптимального уровня зарядного тока.

В качестве входного фильтра применена Г-образная схема, состоящая из реактора Lф и конденсатора Сф. Для обеспечения большей надежности применим два фильтра с идентичными параметрами.

3.2.1 Параметры входного фильтра

Импульсные регуляторы, используемые для регулирования напряжения, подводимого к батарее и двигателям, оказывает вредное воздействие на линии связи, сигнализации и автоблокировки. Применение входного фильтра позволяет снизить уровень этого воздействия, кроме этого он осуществляет фильтрацию тока подводимого к двигателям и батареям в процессе их зарядки.

Рисунок 3.3 График зависимости пульсации тока от коэффициента заполнения

3.2.3 Выбор IGBT модуля и моделирование его работы

Выбор и проверка работы по условиям нагрева полупроводникового прибора, являющегося основной частью преобразователя произведем в среде «Melcosim» от компании Mitsubishi. Окно выбора преобразователя, в данном случае понижающего импульсного и его принципиальный вид представлен на рисунке 3.4.



Рисунок 3.4 Окно выбора преобразователя и его принципиальный вид

Выбор полупроводникового прибора основывается на результатах расчета величин Iр (750,1 А) и Umax (972,2 В). Под эти параметры подходит HVIGBT модуль CM1600HC-34H. Окно выбора модуля показано на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 Окно выбора модуля

После выбора модуля в колонку «Common Conditions» вводим требуемые параметры, при которых будет осуществлена проверка работы транзистора. Окно, на котором представлена схема преобразователя с заданным модулем и рабочие параметры, показано на рисунке 3.6.

Рисунок 3.6 Окно с рабочими параметрами и выбранным модулем

Рисунок 3.7 Зависимость температуры кристалла модуля от времени

После того как был произведен ввод рабочих параметров и выбран тип полупроводникового прибора производится моделирование работы преобразователя. Результаты моделирования показаны на рисунках 3.7 - 3.11.

Рисунок 3.8 Зависимость температуры кристалла и перехода кристалл-корпус модуля от тока

Рисунок 3.9 Зависимость температуры кристалла и перехода кристалл-корпус модуля от частоты



Рисунок 3.10 Зависимость потерь и температуры кристалла от частоты

Рисунок 3.11 Зависимость потерь от тока

При заданной частоте работы импульсного преобразователя (800 Гц) достигаемая температура нагрева полупроводниковых приборов не превышаем максимально допустимую. Следовательно, параметры работы преобразователя выбраны верно.

3.3 Беспроводная система зарядки аккумуляторной батареи

Для зарядки аккумуляторной батареи будет использоваться технология беспроводной зарядки основанной на принципах магнитной индукции и магнитного резонанса. Подобно тому, как работает трансформатор, магнитное поле индуцируется в окружающей области путем пропускания электрического тока через катушку индуктивности. Появление другой катушки рядом с этим магнитным полем вызовет протекание тока в ней, таким образом, достигается беспроводная передача энергии. Однако если взаимодействующие катушки будут слишком далеки друг от друга или неправильно выровнены, то такой способ передачи энергии, называемый индуктивным, характеризуется малой эффективностью.

Для повышения эффективности процесса заряда на больших расстояниях между источником и приемником при плохом выравнивании вводится магнитный резонанс. Сущность введения магнитного резонанса заключается в том, что источник и приемник магнитно резонируют на одной и той же частоте, что значительно улучшает эффективность системы беспроводной зарядки. Зарубежные исследования в этой области показывают, что оптимизация формы, расположения и количества витков во взаимодействующих катушках также может повысить эффективность передачи энергии. Для преобразования сигнала переменного тока в постоянный для заряда аккумулятора и регулирования уровней напряжения и тока требуется ряд специализированных цепей.

Инфраструктуру беспроводной зарядки можно заложить в землю и загерметизировать ее, что защищает систему от погодных условий, вандализма, а также обеспечивает электробезопасность. На рисунке 3.12 показана типичная схема беспроводной зарядки, в которой присутствует участок AC/DC на основе чередующейся схемы, и участок DC/DC на основе полностью мостовой резонансной схемы [17].

Рисунок 3.12 Схема устройства беспроводной зарядки

В зависимости от входного и выходного напряжения вместо полностью мостовой схемы можно применить полумостовую. В данной схеме две катушки Lp, Ls, Cp и Cs образуют резонансную сеть. Достоинством этой схемы является то, что ее внутреннее сопротивление достаточно мало, а, следовательно, потери при передаче энергии малы. Основной недостаток системы заключается в том, что ее внутренний диод имеет малую производительность. В режиме жесткого выключения его потери при обратном восстановлении высоки, что не только приводит к низкой эффективности системы, но и создает значительные электромагнитные помехи. Поэтому в большинстве высокопроизводительных зарядных устройств рекомендуется мягкое отключение внутреннего диода.

Перед включением IGBT транзистора ток, протекающий через биполярный транзистор отрицательный, то есть протекает через его внутренний диод. После включения транзистора ток коммутируется с его внутреннего диода на канал транзистора, таким образом, происходит мягкое включение. Когда полярность тока меняется на противоположную, то внутренний диод отключается без каких-либо потерь при обратном восстановлении. Такой процесс коммутации реализует коммутацию нулевого напряжения. Участок схемы AC/DC также нуждается в высокой эффективности (более 97%) и коэффициенте мощности (более 0,99). В данной схеме зарядки этот участок представляет собой схему чередования, которая требует гораздо меньшего значения индуктивности по сравнению с другими цепями AC/DC. Сигналы затворов транзисторов VT1 и VT3 имеют разность фаз 180 градусов, при этом каждая ножка проводит половину общей мощности. Число чередований изменяется в зависимости от типа входного сигнала, который может быть однофазным или трехфазным. По существу, чередующийся тип схемы является односторонним преобразователем. При необходимости двухсторонней передачи мощности используется схема полного моста.

4. Компьютерное моделирование для исследования возможности работы электропривода от накопителя

4.1 Компьютерная модель тяговой аккумуляторной батареи

Моделирование процесса разгона локомотива при питании от аккумуляторной батареи будет произведено в среде «Matlab». Внешний вид блока, имитирующего аккумуляторную батарею, представлен на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 Компьютерная модель аккумуляторной батареи

Рисунок 4.2 Разрядные характеристики батареи

Разрядные характеристики батареи при различных значениях тока, поддерживаемого батареей представлены на рисунке 4.2.

В настройках параметров батареи вводятся номинальное значение напряжения, емкость в А/ч и начальный уровень заряда [2].

4.2 Компьютерная модель тягового электропривода

Модель для проверки возможности разгона локомотива от накопителя представлена на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 Компьютерная модель электропривода

Блоки TED A1 и TED F1 имитируют соответственно ротор и статор тягового двигателя. В их параметры задаются сопротивление и индуктивность соответствующих обмоток, число последовательно соединенных двигателей, а также масса состава.

4.3 Компьютерная модель импульсного преобразователя

Модель импульсного преобразователя напряжения приведена на рисунке 4.4.



Рисунок 4.4 Компьютерная модель импульсного преобразователя

Блок Iyctavki генерирует сигнал пропорциональный току уставки, изменяющийся в заданное время. Блок Rate Limiter ограничивает рост и снижение уровня сигнала, поступающего на его вход. Для вычисления сигнала рассогласования по току между блоками Iyctavki и блоком, имитирующим транзистор IGBT, в модель включен сумматор Subtract1. После вычисленной ошибки регулирования, этот сигнал поступает к блоку PID(s), который реализует алгоритмы ПИД-регулирования с непрерывными во времени сигналами. Диалоговое меню с основными параметрами ПИД-регулятора показано на рисунке 4.5.

Блок Saturation ограничивает нижним и верхним пределами сигнал, поступающий с регулятора. Блок PWM Generator формирует пилообразный сигнал, который впоследствии сравнивается с сигналом регулятора и преобразуется в управляющие сигналы с помощью блока Relational Operator. Последний упомянутый блок применяет выбранный оператор отношения между сигналами, тем самым осуществляя процесс сравнения и формирования управляющего воздействия. Сформированный сигнал управления поступает на затвор блока IGBT, тем самым управляя его работой.



Рисунок 4.5 Диалоговое меню ПИД-регулятора

4.4 Результаты моделирования

По модели, изображенной на рисунке 4.6, была исследована возможность питания нагрузки от батареи.

Рисунок 4.6 Компьютерная модель для исследования возможности питания нагрузки от батареи

Моделирование показало, что при токе уставки 350 А аккумуляторная батарея оказалась способна поддерживать это значение тока на нагрузке в течение часа, при этом глубина разряда составила 62%. Результаты проведенного моделирования представлены на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7 Результаты проведенного моделирования

5. Технико-экономический расчет

5.1 Расходы на энергоресурсы

Оснащение маневрового локомотива накопителями электрической энергии позволит отказаться от дизельного двигателя, тем самыми исключить расходы на дизельное топливо и масло. Годовые расходы энергоресурсов определяется по формуле:

ЗТЭР = Цсмен • Всм • смен + Цэ • Вэ • смен (5.1)

где Цт - цена за 1т дизельного топлива, тыс. руб; Всм - расход топлива тепловозом в смену, т;

Цэ - стоимость 1 кВтч электроэнергии, руб;

Вэ - количество потребленной из контактной сети электроэнергии, кВтч; Nсмен - количество смен в году

Средняя цена на топливо на момент расчетов составляет 33,9 тыс.руб. за 1 т, цена электроэнергии за 1 кВтч составляет 4,32 руб.

Среднегодовой расход топлива для локомотива серии ТЭМ18ДМ составляет 66,9 т, расход моторного масла на угар и плановую замену составляет 0,85% от расхода топлива (0,57 т.). Стоимость 1 т масла М-14Г2ЦС составляет 49 тыс.руб. Тогда суммарные затраты на энергоресурсы:

ЗТЭР = 66,9 • 33,9 + 0,57 • 49 = 2295,8 (тыс. руб. )

Среднегодовой прогнозируемый расход электроэнергии составит 273402,5 кВтч

Тогда для проектируемого локомотива:

З = 273402,5 • 4,32 = 1181,1 (тыс. руб.)

ТЭР 1000

5.2 Расходы на экипировку локомотивов

Экипировка тепловозов подразумевает под собой снабжение дизельным топливом, смазочными материалами, а также охлаждающей водой и песком. Снабжение песком составляет значительную часть расходов. По имеющимся методическим рекомендациям, расходы на экипировку связывают с расходом дизельного топлива, и вычисляют по формуле:

Зэ = еэк • Вт (5.2)

где еэк - ставка на экипировку тепловозов, приходящуюся на 1 т израсходованного дизельного топлива;

Вт - годовой расход дизельного топлива, т.

Ставка на экипировку топливом и маслом, приходящуюся на 1 т израсходованного топлива составляет 151,27 руб./т, ставка на снабжение песком принята на уровне 302,54 руб./т.

При условии совершения базовым и модернизированным тепловозом одинакового объема работ, расходы, связанные со снабжением их песком приняты на уровне ТЭМ18ДМ и составляют 20,2 тыс. руб. в год. Годовые расходы на экипировку показаны в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Годовые расходы на экипировку

5.3 Расходы на проведение технических обслуживаний и ремонтов

Расходы, связанные с проведение ТО и ремонтов базового и модернизированного локомотивов, рассчитаны на основании количества осмотров и ремонтов по годам жизненного цикла, а также стоимости проведения каждой из этих операций.

Распоряжение ОАО «РЖД» №1651р устанавливает нормативы межремонтных пробегов тепловоза ТЭМ18ДМ. Для модернизированного локомотива нормы пробегов составлены на основании прогнозов. Нормы пробегов для рассматриваемых локомотивов представлены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 - Нормы межремонтных пробегов

Выполнение СР связано с необходимостью замены накопителей энергии. Количество обслуживаний и ремонтов локомотивов за весь срок эксплуатации представлено в таблице 5.3.

Таблица 5.3 - Количество технических обслуживаний и ремонтов

Стоимость каждого вида ТО и ремонта локомотива ТЭМ18ДМ принята на основании данных компании «ЛокоТех» за 2017 г. и указана в таблице 5.4 вместе с данными о стоимости ремонта тепловоза без учета расходов на ремонт дизеля, топливной аппаратуры и вспомогательного оборудования.

Таблица 5.4 - Стоимость проведения обслуживаний и ремонтов ТЭМ18ДМ

Стоимость ТО и ремонтов модернизированного локомотива складывается из затрат на ремонт базовой части тепловоза ТЭМ18ДМ, накопителей энергии, регуляторов напряжения, а также вспомогательного электрического оборудования. Ремонт базовой части частично подразумевает обслуживание электрооборудования, тогда расходы на обслуживание дополнительного электрооборудования приняты на уровне 10% от стоимости обслуживания базовой части для каждого вида ТО и ремонта. Так как модернизированный локомотив по своей конструкции будет являться электровозам, то проведение ТО-3 не требуется. Стоимость обслуживания дополнительного электрооборудования принята на уровне ТО-2, на основании стоимости проведения ТО-3 базовой части ТЭМ18ДМ определены затраты на ТР-1.

Локомотив оборудован набором ЛИАБ в количестве 217 элементов. Стоимость каждой батареи, типа LT-LFP 270, составляет 27000 руб, также для каждого элемента необходима система управления аккумулятором «BMS Микроарт» стоимость 2500 руб. за штуку. Тогда цена полного комплекта составит 6401,5 тыс. руб. Для работы блока накопителей и тяговых двигателей требуется установка импульсных преобразователей в количестве 3 штук и входного фильтра, суммарная стоимостью которых приблизительно составит 400 тыс. руб. Стоимость ремонта этого электрооборудования составляет 200 тыс. руб. Затраты на замену накопителей и балансиров во время СР и КР при условии, что замене подлежит 80% данного оборудования, составляют 5121,2 тыс. руб.

Стоимость единицы ТО и ремонта модернизированного локомотива представлена в таблице 5.5.

Таблица 5.5 - Стоимость проведения обслуживаний и ремонтов проектируемого локомотива

Тогда расходы на проведение ТО и ремонтов базового и модернизированного локомотивов соответственно составят: ЗТОР = 13,3 • 2044 + 68 • 260 + 295,7 • 16 + 578,6 • 8 + 1765 • 5 + 10523 • 2 = 84096,2 (тыс. руб. )

ЗТОР = 10,8 • 1040 + 43,1 • 112 + 203,5 • 8 + 805,7 • 4 + 5927 • 2 + 18874,6• 1 = 43992,6 (тыс. руб. )

Модернизированный локомотив оборудован унифицированным тормозным оборудованием, винтовым компрессором и системой охлаждения с антифризом, что снижает среднегодовые затраты на 237,2 тыс. руб. на его обслуживание по сравнению с базовым тепловозом. Данное снижение расходов основано на отчете ОАО «ВЭлНИИ» «Разработка технико-экономического обоснования применения маневрового тепловоза ТЭМ ТМХ» «ТЭО ТЭМТМХ» при пересчете цен на 2017 год. Оснащение локомотива моторно-осевыми подшипниками качения, основываясь на данных отчета «Технико- экономическое обоснование применения моторно-осевых подшипников качения в колесно-моторных блоках маневровых тепловозов ТЭМ18ДМ», также снижает расход на ремонт в размере 270,1 тыс. руб., в пересчете цены на 2017 год. Суммарное снижение среднегодовых расходов составит 507,3 тыс. руб.

Учитывая затраты на неплановые ремонты на уровне 10% от суммы плановых затрат, а также снижение среднегодовых расходов, итоговые затраты на ТО и ремонты за жизненный цикл (32 года) базового и модернизированного локомотивов соответственно составят:

ЗТОР итог = 84096,2 + 84096,2 • 0,1 = 92505,8 (тыс. руб. )

ЗТОР итог = 43992,6 + 43992,6 • 0,1 ? 507,3 • 32 = 32158,3 (тыс. руб. )

5.4 Расчет годовых текущих затрат на оплату труда локомотивных бригад

Затраты на оплату труда локомотивных бригад, при эксплуатации одного локомотива серии ТЭМ18ДМ определяются по формуле:

ЗФОТ = Зср.мес. • 12 • лок • Ксм • Чбр (5.4)

где Зср.мес. - среднемесячная заработная плата локомотивных бригад, включающая доплаты компенсационного и стимулирующего характера, а также премии из фонда оплаты труда, руб;

Nлок - количество локомотивов, ед;

Чбр - численный состав работников локомотивной бригады, чел;

Ксм - коэффициент сменности, который определяется по следующей формуле:

Ксм = Д • М (5.5)

где Д - количество календарных дней в расчетном периоде; Тсут - количество часов работы локомотива в сутки;

М - норма рабочего времени одного работника в расчетном периоде, ч.

К = 365 • 24 = 4,44

Среднемесячная заработная плата машиниста локомотива в специально- маневром движении составляет 57083 руб./мес. Данное значение получено на основе данных отчета «Труд и заработная плата на железнодорожном транспорте 2015 год» управления анализа и статистики департамента информатизации ОАО «РЖД» путем индексации для 2017 года [14].

При обслуживании маневрового локомотива «в одно лицо» фонд оплаты труда работников локомотивных бригад составит:

З = 57083 • 12 • 4,44 • 1 = 3041,4 (тыс. руб)

ФОТ 1000

Годовые отчисления на социальные нужды рассчитываются по формуле:

Зотч.соц = ЗФОТ • стр.вз. + травм. (5.6)

где kстр.вз. - тариф страхового взноса;

kтравм. - коэффициент отчислений по обязательному социальному страхованию от несчастных случаев на производстве и профессиональных заболеваний.

Зотч.соц = 3041,4 • 0,3 + 0,004 = 924,6 (тыс. руб. )

Таким образом, итоговый ФОТ в расчете на один локомотив, включающий в себя отчисления на социальные нужды, составит 3966 тыс. руб.

Суммарные годовые текущие затраты за жизненный цикл локомотивов с учетом дисконтирования при норме дисконта 0,07 и без него представлены в таблице 5.6.

Таблица 5.6 - Суммарные годовые текущие затраты

5.5 Расчет лимитной цены

Лимитная цена для модернизированного локомотива определяется по формуле:

Цм = Цб • КМ + Эм • КЭ (5.7)

где Цб - цена базового ТЭМ18ДМ с учетом изменения производительности, тыс. руб.;

КМ - коэффициент, учитывающий моральный износ базовой техники;

Эм - полезный эффект от применения нового локомотива вместо базового;

КЭ - коэффициент учета полезного эффекта в цене модернизированного локомотива.

Полезный эффект при эксплуатации модернизированного локомотива является стоимостной оценкой изменения его потребительских свойств по сравнению с базовым тепловозом. Его величина определяется по формуле:

ЭП = Цб • КП • КД ? 1 + ?СЖЦґ + ЭК + ЭС + ЭЭ (5.8)

где КП - коэффициент учета роста производительности модернизированного локомотива по сравнению с базовым;

КД - коэффициент учета изменения срока службы модернизированного локомотива;

ДСЖЦґ - экономия стоимости жизненного цикла при эксплуатации модернизированного локомотива по сравнению с базовым без учета прямых инвестиций в приобретение техники и амортизационных начислений, тыс. руб.;

ЭК - эффект от изменения качества перевозок; ЭС - социальный эффект;

ЭЭ - экологический эффект.

По данным производителя тепловоза ТЭМ18ДМ его стоимость составляет 41864,24 тыс. руб. без учета НДС. Коэффициент учета роста производительности в данных расчетах принят 1. При условии, что срок службы сравниваемых локомотивов одинаков, то коэффициент КД также принимаем равным 1. Используя данные таблицы, величина ДСЖЦґ для модернизированного локомотива при норме дисконта 0,07 составит:

?СЖЦґ = 114910,4 ? 79545,8 = 38613,2 (тыс. руб. )

При маневровой работе локомотива эффект от изменения качества перевозок и социальный эффект отсутствуют, это означает что величины ЭК и ЭП равны 0. На основании Федерального закона от 04.05.1999 №96-ФЗ «Об охране атмосферного воздуха» плата за загрязнение воздуха взимается, если выбросы исходят от стационарных источников. Следовательно, за выбросы в атмосферный воздух транспортным средством, производить оплату не требуется, т.е. ЭЭ=0. Тогда:

ЭП = 41864,24 • 1 • 1 ? 1 + 38613,2 = 38613,2 (тыс. руб. )

В итоге лимитная цена модернизированного локомотива, при условии, что базовый тепловоз не имеет морального износа (КМ=1) составит:

Цм = 41864,24 • 1 + 38613,2 • 0,8 = 72754,8 (тыс. руб. )

5.6 Сравнение затрат между базовым и проектируемым локомотивами

На рисунках 5.1 и 5.2 представлены доли видов затрат за время жизненного цикла базового и проектируемого локомотивов соответственно.

Рисунок 5.1 Доли видов затрат за жизненный цикл ТЭМ18ДМ



Рисунок 5.2 Доли видов затрат за жизненный цикл проектируемого локомотива

По диаграммам явно видно, что затраты на ФОТ составляют основную часть всех расходов, причем при эксплуатации проектируемого локомотива, они превышают половину всех затрат (64%). В свою очередь, доля затрат на экипировку незначительна и для базового локомотива ТЭМ18ДМ составляет менее 1%. При снижении затрат на энергоресурсы, а также проведение ТО и ремонтов в денежном эквиваленте при эксплуатации модернизированного локомотива, их процентные доли также снизились, с учетом того, что расходы на ФОТ для рассматриваемых локомотивов одинаковы.

6. Охрана труда

6.1 Введение

Вопросы, связанные с безопасностью труда являются неотъемлемой частью любого предприятия. В Трудовом Кодексе Российской Федерации дано точное определении, что Охрана труда - система сохранения жизни и здоровья работников в процессе трудовой деятельности, включающая в себя правовые, социально-экономические, организационно-технические, санитарно- гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и иные мероприятия.

Объекты железнодорожной инфраструктуры являются зонами повышенной опасности. Все методы защиты персонала от ОВПФ делятся на организационные и технические.

Инструктаж и обучение, периодические медицинские осмотры, профессиональный отбор, различные виды льгот, а также сокращение времени контакта с вредными веществами являются организационными методами.

К техническим относятся: защита расстоянием и временем; использование средств защиты; рациональное планирование рабочих мест; замена опасных веществ на менее вредные; а также многие другие меры, обусловленные материальным характером.

Гибридный подвижной состав является сложной по своей конструкции тяговой единицей. При его эксплуатации на обслуживающий персонал оказывают влияние различные вредные и опасные производственные факторы. К таковым относятся: микроклимат, освещенность, химический фактор, шум и вибрации, воздействие электрического тока [4].

6.2 Электробезопасность

Аккумуляторные батареи, являющиеся источником электрической энергии, представляют опасность для обслуживающего персонала из-за возможности поражения электрическим током. Поэтому все операции по техническому обслуживанию и контролю должны выполняться с учетом того, что одновременное прикосновение двумя руками к клеммам аккумулятора чревато поражением электрическим током. Во время режима зарядки напряжение аккумулятора повышается, а вместе с этим возрастает и опасность поражения электрическим током. Зарядные устройства должны быть оборудованы разделительным трансформатором для предотвращения подключения источника постоянного тока к сети переменного тока.

Все приборы контроля необходимо приводить в действие только через трансформаторы. Использование автотрансформаторов для их питания запрещено.

Все подключения к аккумуляторным батареям допускаются только при выключенном преобразователе. Контакты между перемычками, подводящими проводами и борнами должны быть плотными, чтобы избежать искрения и перегрева.

Производя контроль напряжения батареи нагрузочной "вилкой" невозможно предотвратить искрообразование. Такой контроль должен осуществляться только в тех местах, где отсутствует взрывоопасная смесь водорода и кислорода. При работе с нагрузочной "вилкой" необходимо избегать возможности прикосновения к ее резистору, чтобы не получить ожог. Проверка наличия напряжения на аккумуляторах путем замыкания клемм накоротко строго запрещена.

В моменты работы зарядно-разрядных преобразователей их шкафы должны быть закрыты. Все работы с преобразователями во время технического обслуживания и ремонта на токоведущих частях должны выполняться только при отключении от сети переменного тока и аккумулятора. В этом случае на переключатели, которые обеспечивают видимый разрыв, должны вывешиваться транспаранты "Не включать! Работают люди!".

Корпуса шкафов преобразователей и приборов должны быть заземлены. К работе с преобразователями могут допускаться только сотрудники, имеющие квалификационную группу не ниже третьей, прошедшие специальное обучение.

В случае поражения электрическим током, первым делом нужно освободить человека от воздействия тока. По возможности необходимо выключить устройство, к выводам которого прикасается жертва. Если это невозможно, следует принять меры, чтобы отделить пострадавшего от токоведущих цепей. Для этого необходимо использовать резиновые перчатки, галоши, сухую одежду, доску или палку. В результате поражения электрическим током пострадавший может находиться в состоянии "мнимой смерти". Если сознание не возвращается через несколько секунд после освобождения пострадавшего от тока, необходимо обеспечить доступ на свежий воздух и сделать искусственное дыхание. Делать это нужно до тех пор, пока у пострадавшего не появится нормальное дыхание. Во всех случаях необходимо вызвать врача.

6.3 Химический фактор

Эксплуатационное обслуживание аккумуляторных батарей проводится аккумуляторщиками и персоналом с квалификационной группой не ниже III.

Работник, допущенный к выполнению аккумуляторных работ помимо ряда технических и эксплуатационных вопросов, связанных с аккумуляторными батареями должен знать физические и химические свойства кислот, щелочей, свинца, мастик, применяемых при ремонте аккумуляторных батарей и способы оказания первой помощи от действия этих веществ, а также, методы и порядок нейтрализации действия вредных веществ при попадании их на тело.

На входной двери помещения, где ведутся работы с аккумуляторами, должны быть установлены надписи и знаки безопасности "Аккумуляторная", "Вход запрещен", "Курить запрещено", "Пользоваться открытым огнем запрещено".

В соответствии с Постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 13.02.2018 N 25 "Об утверждении гигиенических нормативов ГН 2.2.5.3532-18 "Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны" содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны должно проверяться в установленные сроки. Оно не должно превышать установленных предельно допустимых концентраций свинца и его неорганических соединений - 0,05 мг/м, серной кислоты - 1 мг/м, щелочей едких (растворы в пересчете на NаОН) - 0.5 мг/м, водорода мышьякового - 0,1 мг/м.

Эти вредные вещества опасны вследствие ядовитого действия свинца и его соединений, серная кислота раздражающе действует на слизистую оболочку и дыхательные пути, наносит ожоги при попадании на кожу.

На всех сосудах с электролитом, дистиллированной водой, содовым раствором или раствором борной кислоты должны быть сделаны четкие надписи (наименование). Кислоту следует хранить в стеклянных оплетенных бутылях, в отдельных проветриваемых помещениях. Бутылки с кислотой должны быть установлены на полу в один ряд. Каждую из них следует обеспечить биркой с наименованием кислоты. Пустые бутылки из-под кислоты хранятся в аналогичных условиях.

Перед разборкой аккумуляторной батареи необходимо слить электролит. При переносе аккумуляторных батарей необходимо использовать устройства (захваты) и соблюдать меры предосторожности, чтобы избежать обливания электролитом.

Готовить кислотный электролит необходимо в специальных сосудах из специальных материалов (керамических, фаянсовых и т.д.). Запрещается для приготовления электролита пользоваться стеклянной посудой, так как она от разогрева может лопнуть. При приготовлении, заливке и доливке кислотного электролита в батарее необходимо обязательно пользоваться защитными очками и резиновыми перчатками.

Переливать кислоту с бутылей в емкость следует только с помощью специальных устройств (качалок, сифонов и т.п.). Запрещается переливать кислоту вручную. Производить смену электролита или доливки его в аккумуляторы следует с помощью специального оборудования, резиновой груши, стеклянной кружки и тому подобное. Открывать стеклянные бутыли с кислотой, щелочью необходимо осторожно, без применения больших усилий; при открытии предварительно прогреть горловину бутылей тряпкой, смоченной в горячей воде.

Перед постановкой аккумуляторных батарей на зарядку необходимо прочистить вентиляционные отверстия и вывернуть пробки, чтобы не допустить накопления внутри элементов большого количества "гремучего газа", что приводит к разрыву крышек аккумуляторов.

При проведении аккумуляторных работ запрещается:

- курить, входить в помещение с открытым огнем (зажженной спичкой, сигаретой и т.д.).

- пользоваться электронагревательными приборами.

- хранить в аккумуляторном помещении бутыли с серной кислотой и флаконы с едким калием более суточной потребности, а также пустую посуду.

- совместно хранить и заряжать кислотные и щелочные аккумуляторные батареи в одном помещении.

- хранить в помещении продукты питания и принимать пищу.

6.4 Микроклимат

Микроклиматом производственных помещений называются метеорологические условия внутренней среды этих помещений, характеристики которых определяются совокупным воздействием на человека ряда факторов. К последним относятся: температура, влажность, скорость движения воздуха и тепловое излучение. В иной формулировке микроклиматом называют совокупность физических факторов, влияющих на теплообмен человека с окружающей средой, на его тепловое состояние и определяющих самочувствие, работоспособность, здоровье и производительность труда. Для регулировки и предотвращения неблагоприятных воздействий микроклимата разработаны санитарные правила и нормы СанПиН 2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений» [15].

Нормальная жизнедеятельность человека протекает при условии сохранения постоянства состояния организма, за счет работы системы терморегуляции и других функциональных систем организма, обеспечивающих энергетический, белковый и водно-солевой обмен. Термостабильное состояние помещения позволяет поддерживать температуру человека неизменной, данное состояния оценивается по тепловому балансу. В зависимости от влияния микроклимата на тепловой баланс, первый бывает трех видов: нейтральный, нагревающий и охлаждающий.

Нейтральный микроклимат обеспечивает тепловой баланс организма в течение рабочей смены. Разность между значениями теплопродукции Qм и суммарной теплоотдачей Qсум не превышает 2 Вт, при этом доля испарения влаги в процессе теплоотдаче не более 30%.

Нагревающий микроклимат характеризуется избытком тепла в организме (>2 Вт) и увеличением роли испарения влаги (>30%). Это может привести к тепловому коллапсу, при котором температура тела слишком высокая. Головная боль, слабость, тошнота предшествуют обморочному состоянию. Кожа покрывается холодным потом и увеличивается частота сердечных сокращений. Данное состояние быстро проходит при отдыхе в прохладном месте.

Охлаждающий микроклимат подразумевает превышение суммарной теплоотдачи над теплопродукцией организма. В этом случае происходит дефицит тепла в организме (>2 Вт). Охлаждение приводит к изменению двигательной реакции, нарушению координации и работы головного мозга. При локальном охлаждении костей снижается точность выполнения рабочих операций, например, при снижении температуры на каждый градус, работоспособность пальцев уменьшается на 1,5%.

6.5 Шум и вибрация

Источниками шума на железнодорожном предприятии являются: производственное оборудование, технологические процессы, подвижной состав, системы электроснабжения и многое другое. Будучи вредоносным фактором, шумом называют совокупность звуков различных по амплитуде и частоте, возникающих в результате колебательных процессов. Продолжительное воздействие шума на организм оказывает влияние не только на слуховой аппарат, но и на прочие внутренние системы человека, такие как сердечнососудистая и нервная. Предельно допустимые значения шума на рабочих местах определяются в зависимости от тяжести и напряженности трудовой деятельности. Нормируемые параметры и допустимые параметры шума регламентируются СН 2.2.4/2.1.8.562-96 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки».

В условиях производственного предприятия вибрация-это механические колебания в упругих телах, характеризующиеся значительной амплитудой. Продолжительное воздействие вибрации может вызывать нарушение работы ЦНС, бессонницу и ноющую боль в конечностях. По способу воздействия на человека она подразделяется на общую, оказывающую влияние на весь организм, и локальную, влияющую непосредственно на те участки тела, которые соприкасаются с источником вибрации. Нормируемые параметры и классификация вибраций приведены в СН 2.2.4/2.1.8.566-96 «Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий. Санитарные нормы».

6.6 Мероприятия по снижению вредных воздействий

Для обеспечения безопасности условий труда необходимо строго соблюдать все нормативы, правила, инструкции и требования, связанные с вопросами охраны труда.

В условиях эксплуатационных и ремонтных депо необходимо разработать маршруты безопасного перемещения персонала не только непосредственно на территории помещений, но и на прилегающих участках. При работах вне производственных помещений необходимо носить светоотражающий жилет.

Определенные категории работников, например те, работа которых связанна с нормами электробезопасности, помимо общих инструктажей должны сдавать экзамены на подтверждение своих категорий по допуску к производственному оборудованию или конкретному типу работ, а также повышать свои знания и квалификацию.

Для снижения влияний шумового фактора необходимо устанавливать звукоизолирующие конструкции как в помещениях на территории самого депо, так и на прилегающих к нему участков. Применение гибких виброизоляторов, виброизолирующих предметов одежды, а также снижение продолжительности воздействия вибрации позволит снизить ее вредное влияние на организм человека.

В помещениях, где ведутся работы, связанные со специфичными видами деятельности необходимо вешать предупреждающие и обозначающие таблички.

Все помещения депо должны иметь планы эвакуаций на случай чрезвычайных ситуаций. Персонал не реже одного раза в шесть месяцев должен проходить инструктаж по пожарной безопасности.

Для обеспечения оптимального микроклимата в производственных помещениях, необходимо устанавливать кондиционеры, системы отопления и вентиляции воздуха.

Все работники депо должны быть обеспечены необходимым набором средств индивидуальной и коллективной защиты, и уметь ими пользоваться.

6.7 Расчет вентиляции

Любой подвижной состав в течение своего жизненного цикла проходит ремонты и технические обслуживания, производимые в ремонтных депо Для обеспечения комфортных условий труда рабочих необходимо в производственных помещениях устанавливать системы вентиляции воздуха.

У ворот отапливаемых зданий, которые в течение смены открыты не менее чем на 40 минут, устанавливают воздушные завесы шиберного типа. Такие завесы состоят из двух самостоятельных агрегатов, в конструкцию каждого из которых входят: вентилятор, калорифер и воздухораспределительный короб. В таблице 6.1 приведены характеристики боковых двусторонних воздушно тепловых завес.

Таблица 6.1 - Характеристики воздушно тепловых завес

В данном разделе дипломного проекта были описаны вредные и опасные производственные факторы, которые оказывают влияние на работников при эксплуатации подвижного состава. Кроме этого также были предложены мероприятия для улучшения условий труда и рассчитана местная приточная вентиляция необходимая в условия ремонтного депо.

Важно всегда помнить, что соблюдение инструкций по охране труда несет обязательный характер для всего персонала, так как малейшая оплошность при выполнении работы может стоить человеку жизни.

Заключение

В дипломном проекте рассмотрены вопросы, касающиеся сравнения видов накопителей электрической энергии, беспроводной системы зарядки батарей и технических решений по преобразованию тепловоза в локомотив, не нуждающийся в дизельных технологиях.

При выполнении дипломного проекта были определены параметры импульсного преобразователя, тяговых электродвигателей, входных и выходных фильтров, а также аккумуляторной батареи.

На основе произведенных расчетов была выбрана аккумуляторная батарея из набора 217 энергетических ячеек емкостью 270 Ач и напряжением 3,2 В каждая, и определены ее массогабаритные показатели. На этапе разработки импульсного преобразователя, при помощи программной среды Melcosim в качестве силового полупроводникового прибора был выбран модуль CM1600HC-34H, а также была осуществлена проверка кристалла по условиям перегрева.

Разработанная модель тягового электропривода в среде Matlab показала, что осуществить разгон локомотива от предложенного накопителя возможно.

Анализ экономической части показал, что эксплуатационные расходы за срок службы проектируемого локомотива (32 года) ниже, чем у базового на уровне около 100 млн. руб.

Библиографический список

1. Ветров Ю.Н., Приставко М.В. Конструкция тягового подвижного состава. - М.: Желдоиздат, 2000 - 316 с.

2. Герман-Галкин С.Г. Силовая электроника: Лабораторные работы на ПК. - СПб.: Учитель и ученик КОРОНА принт, 2002 - 304 с.

3. Евстафьев А.М. Гибридные системы тягового привода /А.М. Евстафьев, И.Ю. Евстафьев// в сборнике: Интеллектуальные системы на транспорте сборник материалов V Международной научно-практической конференции. - 2015. - С. 363-366.

4. Клочкова Е.А. Охрана труда на железнодорожном транспорте/ Е.А. Клочкова, Учебник/ - М.: Маршрут, 2004. - 412 с.

5. Мазн?в А.С. Применение энергонакопительных устройств на элетроподвижном составе /А.С. Мазн?в, А.М. Евстафьев// Транспорт Урала. - 2009. - № 2. - С. 83-85.

6. Мазн?в А.С. Расч?т широтно-импульсного преобразователя напряжения/ А.С. Мазн?в, А.В. Плакс, А.М. Евстафьев, М.Ю. Изварин, Методические указания к курсовой работе.: - СПб.: ПГУПС, 2004. - 42 с.

7. Осипов С.И., Осипов С.А. Основы тяги поездов. - М.: УМК МПС России, 2000 - 592 с.

8. Плакс А.В. Системы управдения электроподвижным составом/ А.В. Плакс, учебник для вузов ж.д. транспорта/ - М.: Маршрут, 2005. - 367 с.

9. Справочник по силовой электронике / Ю.К. Розанов, С 365 П.А. Воронин, С.Е. Рывкин, Е.Е. Чаплыгин; под ред. Ю.К. Розанова. - М.: Издательский дом МЭИ, 2014. - 472 с., ил.

...