Энергетика электрифицированных участков железных дорог постоянного тока

АННОТАЦИЯ

Реализован алгоритм графоаналитического метода расчёта расхода электрической энергии электровозами постоянного тока на тягу поездов. Получены кинематические параметры и параметры некоторых тягово - энергетических показателей перевозочной работы локомотивов электрической тяги постоянного тока на виртуальном участке железной дороги. Предложена методика обоснования эффективности различных видов локомотивной тяги в реальных условиях эксплуатации и способ оценки энергетики электрифицированных участков разных по роду тока типов железных дорог.

ABSTRACT

An algorithm of the graphical - analytical method for calculating the consumption of electric energy by direct current electric locomotives for train traction has been implemented. The kinematic parameters and parameters of some traction - energy indicators of the transportation operation of direct current electric traction locomotives on the virtual section of the railway are obtained. A method is proposed for substantiating the effectiveness of various types of locomotive traction in real operating conditions and a method for assessing the energy of electrified sections of different types of current types of railways.

Ключевые слова: исследование, результат, грузовой поезд, электровоз, эксплуатация, постоянный ток, виртуальный, тягово - энергетический.

Keywords: investigation, result, the freight train, the electric locomotive, exploitation, the direct current, virtual, traction - energy.

Введение. Железнодорожный транспорт является крупным потребителем электрической энергии, которую тяговые электродвигатели тягового электрического подвижного состава (электровозы, электропоезда, пассажирские поезда скоростного и высокоскоростного движения) получают от системы тягового электроснабжения и затем, преобразуют её в механическую работу, затрачиваемую на передвижение поезда.

Анализ и оценка качественной составляющей эффективности использования разных видов локомотивной тяги проводятся путём сравнения между собой не только кинематических параметров движения поездов, но и параметров энергетических показателей локомотивов в количественном и денежном исчислении в различных условиях эксплуатационной деятельности железных дорог, в том числе электрических.

На кафедре «Локомотивы и локомотивное хозяйство» ТашИИТа проводятся многолетние теоретические исследования по обоснованию основных параметров энергетической эффективности и перевозочной работы разных типов (видов) и серий локомотивов в реальнқх условиях эксплуатации.

Постановка задачи исследования. Настоящие исследования являются продолжением работы [1] и проводились параллельно с работами [2,3]. С одной стороны они направлены на обоснование алгоритма и методики графоаналитического метода расчёта расхода электрической энергии на тягу поездов электровозами постоянного тока, а с другой – связаны с анализом энергетики электрифицированных участков железных дорог постоянного тока и оценкой тягово - энергетической эффективности использования локомотивов электрической тяги постоянного тока в условиях эксплуатации.

Результаты исследования и их анализ. На рис. 1 приведены кривые тока I_э (S), скорости движения V (S) и времени хода t (S) грузового поезда унифицированной массы состава Q = 3000 т, построенные для исследуемых электровозов ВЛ10 на виртуальном участке железной дороги постоянного тока, на котором обозначено: ст. Д – станция отправления грузового поезда; t_т и t_хх,_т – соответственно, время хода грузового поезда в режимах тяги и холостого хода, торможения (на рис. 1 режим торможения грузового поезда не показан, так как он не используется); ток выкл. и ток вкл. – соответственно, ток выключен  и ток включён, то есть режим холостого хода грузового поезда. Кривая тока I_э (S) показана в верхней части рис. 1.

Как и во всех других, предыдущих исследованиях автора расчёты траектории движения грузового поезда основываются на принципе максимального использования мощности и тягово – эксплуатационного качества (свойства) локомотива [3,4], а также максимальной кинетической энергии с которой поезд проходит каждый элемент профиля пути, что для электровозов ВЛ10 соответствует ходовой позиции на характеристике третьей ступени ослабленного возбуждения (ОВ3) параллельного соединения П тяговых электрических двигателей.

Для определения значений токов в зависимости от пройденного пути I_э(s) при системе постоянного тока используются токовые характеристики I_э(V) электровозов ВЛ10 и ВЛ10^у (с учётом ограничения по сцеплению колёс локомотива с рельсами, показанного штрихпунктирной линией). На рис. 2 приведены такие токовые характеристики, которые рассчитывают по скоростным характеристикам V(I_д) тягового электродвигателя ТЛ-2К, принимая во внимание схемы их соединений - последовательное (С), последовательно - параллельное (СП) и параллельное (П) соединения последних.

Рисунок 1. Фрагмент тягового расчёта для локомотивов электрической тяги на виртуальном участке железной дороги постоянного тока

В зависимости от схемы соединения тяговых электродвигателей электровоза ВЛ10 ток электровоза I_э будет иметь различные значения [3,5]. При последовательном соединении восьми тяговых электродвигателей ток электровоза I_э эквивалентен (равен) току тягового электродвигателя I_д. Последовательно - параллельное соединение - включение тяговых электродвигателей по четыре последовательно в две параллельные цепи. Ток электровоза I_э будет равен I_э = 2I_д. Параллельное соединение, когда тяговые электродвигатели образуют четыре параллельных цепи и соединены по два последовательно, в каждой. Ток электровоза I_э равен значению I_э = 4I_д.

Кроме того, токовые характеристики имеют ограничения, характеризуемые предельной касательной силой тяги локомотива исходя из сцепления колёс его с рельсами, которые зависят от расчётной массы локомотива. Для электровоза ВЛ10 она составляет 184 т (на рис. 1 упомянутые ограничения обозначены жирной линией), а для электровоза ВЛ10^у - 200 т.

Рисунок 2. Токовая характеристика электровоза ВЛ10, ВЛ10^У

Далее рассмотрим динамику изменения тока I_э электровоза ВЛ10 и разные варианты управления им в пути следования от момента трогания поезда с места до момента выхода электровоза на расчётную, ходовую позицию с использованием характеристики третьей ступени ослабленного возбуждения (ОВ3) параллельного соединения П тяговых электродвигателей.

Разгона поезда происходит при последовательном соединении С тяговых электродвигателей электровоза ВЛ10 и средний ток при выводе пускового реостата будет определяться точками ABC. В точке А ток равен I_э = I_д = 685 А. В точке С ток соответствует I_э = I_д = 595 А - электровоз работает на расчётной, ходовой позиции последовательного соединения. Напряжение U_д на каждом тяговом электродвигателе составляет 3000:8 = 375 В.

Для увеличения скорости движения поезда выполняют переключение тяговых электродвигателей с последовательного С на последовательно - параллельное СП соединение с включением в цепь пускового реостата. В результате, число параллельных цепей тяговых электродвигателей увеличивается в два раза, поэтому ток электровоза составляет I_э = 2I_д (в точке D ток электровоза равен I_э = 595·2 = 1190 А).

От точки D до точки G пусковой реостат постепенно выводится. Поэтому в точке G тяговые электродвигатели работают на расчётной, ходовой характеристике последовательно – параллельного соединения СП. В этом случае, ток электровоза становится равным I_э = I_д·2 = 575 · 2 = 1150 А, а напряжение тягового электродвигателя составит U_д = 3000:4 = 750 В.

Далее, после переключения тяговых электродвигателей на параллельное соединение П выполняют включение пускового реостата в каждую цепь тяговых электродвигателей. Поэтому ток I_д увеличивается в четыре раза, то есть в точке Н ток электровоза становится равным 1_э = I_д·4 = 575·4 = 2300 А. Затем продолжают выводить пусковой реостат (точки L, М, N) и в точке N электровоз выходит на расчётную, ходовую позицию параллельного соединения П, в которой ток электровоза составит величину I_э = I_д·4 = 535·4 = 2140 A, а напряжение тягового электродвигателя будет соответствовать величине U_д = 3000:2 = 1500 В. В точке R и точке S ток электровоза составит I_э = I_д·4 = 497,5·4 = 1990 A и I_э = I_д·4 = 632,5·4 = 2530 A, соответственно, а в точке Т - I_э = I_д·4 = 650·4 = 2600 A.

Также, можно работать на характеристике полного возбуждения ПВ или для повышения скорости движения воспользоваться характеристиками ослабленного возбуждения OB1 – ОВ3. При ограничении скорости движения на каком - то участке, можно использовать характеристики при полном ПВ и ослабленном ОВ возбуждении на последовательном С или последовательно – параллельном СП соединениях тяговых электродвигателей. С целью наиболее большего по возможности использования мощности тяговых электродвигателей в расчётах берут максимальные значения силы тяги и возможно наибольшие скорости. Они характеризуются жирной линией на рис. 2 - ABCDGHLMNRS и далее, принимая во внимание "скачки" тока электровоза, до характеристики ОВ3 (точка Т) параллельного П соединения тяговых электродвигателей.

Характеристика четвёртой ступени ослабленного возбуждения (ОВ4) параллельного соединения П тяговых электродвигателей в расчётах не используется, так как её оставляют в резерве для случая необходимости движения поезда с более высокими скоростями, например, при нагоне опоздания поезда.

На кривой I(s) показаны точки (0 - 16") при движении поезда в режиме тяги и холостого хода, в которых изменялись режимы движения (С, СП, П - ПВ; ОВ1, ОВ2, ОВ3, ток выкл., ток вкл. ) или происходило ускорение и замедление движения поезда - точки (0 - 13) на кривой скорости V(s) движения поезда. Время движения берётся из кривой времени хода t(s) поезда по точкам (0 -13').

Ниже приводим пример последовательности (алгоритма) вычисления ампер - минуты на каждом участке счёта, опираясь на упомянутые выше графики I_э(s) и t(s) с учётом принятых автором обозначений на рис. 1.

1. На участке 0 – 1 (тока 0'-1'') кривой скорости движения V(s) поезда величина тока электровоза равна I_эср = (685+595) / 2 = 640 A; а по кривой времени хода t(s) поезда этот ток проходит в течение 0,5 мин. Следовательно, произведение I_эср·t = 640 · 0,5 = 320 А·мин.

На участке 1''-1" кривой тока I_э(s) величина тока изменяется с 595 А до 1190 А, но время хода поезда составляет t = 0 мин. Поэтому I_эср·t = 0 А·мин.

2. На участке 1-2 (тока 1"-2'') кривой скорости движения V(s) поезда значение тока электровоза равно I_эср = (1190+1150) / 2 = 1170 А и по кривой хода t(s) поезда этот ток проходит в течение 0,15 мин. Следовательно, произведение I_эср·t = 1170·0,15 = 175,5 А·мин.

3. На участке 2-3 (тока 2"-3'') кривой скорости движения V(s) поезда величина тока электровоза соответствует значению I_эср = (2300 + 2250) / 2 = 2275 А. По кривой хода t(s) поезда этот ток проходит в течение 0,2 мин., следовательно, произведение I_эср·t = 2275·0,2 = 455 А·мин, и так далее.

Результаты расчётов произведения (I_эср·∆t), то есть одной из составляющей числителя расчётной формулы (2) [1], сведены в табл. 1.

Таблица 1.

Расчёт расхода электрической энергии электровозом ВЛ10

на виртуальном участке железной дороги постоянного тока

Таким образом, рассчитав (I_эср·∆t_i) по всем участкам и просуммировав их, получим итоговое значение произведения (I_эср·∆t_i) = 8426,25 А·мин (см. табл. 1), тогда величина расхода электрической энергии на тягу поезда при напряжении в контактной сети U_кс = 3000 В составит [1]:

Полная С_э (сўм) и удельная стоимость c_э (тыс. сўм / км) железнодорожных перевозок разных по структуре и содержанию грузов для локомотивов электрической тяги постоянного тока определяется аналогично [2,3].

В табл. 2 приведены показатели перевозочной работы двухсекционных магистральных (поездных) грузовых электровозов ВЛ10 на виртуальном участке железной дороги постоянного тока.

Таблица 2.

Показатели эффективности использования локомотивов электрической

тяги на виртуальном участке железной дороги постоянного тока

Для анализа и оценки тягово - энергетической эффективности локомотивов электрической тяги постоянного и переменного тока между собой на рис. 3 представлены траектории движения локомотивов электрической тяги постоянного тока на виртуальном участке железной дороги, полученные в [2].

Анализ данных табл. 2 и результата исследований [3] свидетельствует о превосходстве электровозов ВЛ10 над тепловозами 3ТЭ10М и UzТЕ16М3, соответственно, в 6,48 (тепловозы UzТЕ16М3) и 7,28 (тепловозы 3ТЭ10М) раз.

Рисунок 3. Фрагмент тягового расчёта для локомотивов электрической тяги на виртуальном участке железной дороги переменного тока

Кроме этого, сопоставление полученных автором данных в сравнение с результатами тягового расчёта, представленного на рис. 3 и исследования [2] говорит о том, что электровозы ВЛ10 (двухсекционные) экономичнее электровозов 3ВЛ80^С (трёхсекционные) приблизительно в 3,03 раза.

Заключение. Доказано преимущество локомотивов электрической тяги постоянного (электровозы ВЛ10) и переменного (3ВЛ80^С) тока над локомотивами дизельной тяги – тепловозы серий 3ТЭ10М и UzTE16M3, в среднем, соответственно в 7,28 – 6,48 раз и 2,40 – 2,14 раз,

Можно предположить незначительное превосходство в эксплуатации локомотивов электрической тяги на электрифицированных участках железных

дорог постоянного тока. Причём, чтобы утвердительно констатировать сказанное, необходимо с учётом предложенной автором методики продолжить исследования по обоснованию эффективности использования различных видов локомотивной тяги на реальных участках разных железных дорог в условиях их эксплуатационной деятельности и в первую очередь узбекских.

Список литературы:

1. Аблялимов О. С. К оценке эффективности локомотивов электрической тяги постоянного тока [Текст] / О. С. Аблялимов // Universum: Технические науки: электрон. научн. журнал / URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/8436 (дата обращения: 25.07.2020). – Москва, 2020. № 8 (77) – С. 84 – 87.
2. Аблялимов О. С. К энергетике электрифицированных участков железных дорог переменного тока [Текст] / О. С. Аблялимов // Universum: Технические науки: электрон. научн. журнал / URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/8436 (дата обращения: 06.12.2019). – Москва, 2019. № 12 (69) – С. 84 – 87.
3. Аблялимов О. С. К энергетике неэлектрифицированных участков железных дорог [Текст] / О. С. Аблялимов // Научно – техническая конференция «Энергоэффективность - 2019» / Ташкентский гос. техн. ун-т. – Ташкент, 2019. – С. 113 – 118.
4. Аблялимов О. С. Основы управления локомотивов: Учебник для профессиональных колледжей железнодорожного транспорта [Текст] / О. С. Аблялимов, Э. С. Ушаков. – Ташкент: «Davr», 2012. – 392 с.
5. Деев В. В. Тяга поездов [Текст] / В. В. Деев, Г. А. Ильин, Г. С. Афонин // Учебное пособие для вузов. – М.: Транспорт, 1987. – 264 с.
6. Осипов С. И. Энергетика электрических  железных дорог [Текст] / С.И. Осипов // Лекция для студентов специальности «Электрический транспорт (железнодорожный транспорт) (ЭПС)» / Российский гос. открытый техн. ун-т путей сообщения. – М.: РГОТУПС, 2002. – 36 с.