К оценке эффективности локомотивов электрической тяги постоянного тока

АННОТАЦИЯ

Приведена характеристика одного из локомотивов электрической тяги и виртуального участка железной дороги постоянного тока. Обоснованы система тягового электрического снабжения постоянного тока и аналитические зависимости, предназначенные для расчёта значений расхода электрической энергии локомотивами на тягу поездов.

ABSTRACT

The characteristics of one of the electric traction locomotives and a virtual section of the direct current railway are given. The system of traction electric supply of direct current and analytical dependences intended for calculating the values ​​of electric energy consumption by locomotives for train traction are substantiated.

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.

Анализ и оценка эксплуатационной деятельности электрифицированных участков железных дорог постоянного тока напрямую зависят от решения задачи по изучению эффективного использования соответствующих локомотивов электрической тяги на этих участках.

Одним из критериев решения такой задачи являются параметры энергетической эффективности электрических локомотивов, значения которых можно выразить через величину расхода электрической энергии на тягу поездов при их проследовании по участку счёта.

Для реализации сказанного необходимо выбрать (принять) и использовать метод (способ), объект и предмет исследования.

Объектом исследования являются двухсекционные магистральные (поездные) грузовые электровозы серии ВЛ10 и виртуальный участок железной дороги постоянного тока.

Предмет исследования составляют кинематические параметры движения грузового поезда унифицированной массы состава и показатели  энергетической эффективности использования исследуемых электровозов ВЛ10 на заданном участке железной дороги.

Основные конструктивные особенности и тягово – эксплуатационные характеристики с учётом энергетических параметров электровозов ВЛ10 приведены в [3], некоторые из которых для расчётной позиции контроллера машиниста исследуемого электровоза показаны на рис. 1 и рис. 2.

На рис. 3 показан виртуальный участок железной дороги постоянного тока протяжённостью L = 8,6 километров, параметры каждого элемента профиля железнодорожного пути которого приведены в [1,2].

Исследования проводятся для грузового поезда унифицированной массы состава (Q = 3000 т) с постоянным числом осей в составе (m = 200 осей) и условий организации движения на электрифицированном участке железной дороги постоянного тока, принятых аналогичными [1,2].

Рисунок 1. Тяговая характеристика электровоза ВЛ10

Рисунок 2. Токовая характеристика электровоза ВЛ10

Рисунок 3. Профиль пути виртуального участка железной дороги постоянного тока

На электрических железных дорогах используются различные системы электрической тяги, а в зависимости от рода тока, потребляемого тяговым электрическим подвижным составом и уровня напряжения контактной сети, они классифицируются на системы: постоянного, трехфазного, однофазного тока пониженной частоты и однофазного тока промышленной частоты.

В странах СНГ нашли применение две системы электрической тяги [5]: система постоянного тока с напряжением 3 кВ и система переменного тока промышленной частоты (50 Гц) с напряжением 25кВ, в том числе последняя система была разработана, спроектирована и нашла практическое применение на магистральных участках железных дорог АО «Ўзбекистон темир йўллари».

На рис. 4 приведена принципиальная схема питания системы тягового электрического снабжения постоянного тока.

Рисунок 4. Принципиальная схема питания тяговой сети

постоянного тока

Эта система получает питание от энергетической системы через линии передач 1. На тяговой подстанции установлены понижающие тяговые трансформаторы 2, в которых трёхфазный ток преобразуется в однофазный ток с номинальным напряжением на шинах постоянного тока тяговой подстанции 3,3 кВ (после выпрямления), которое принимается на десять процентов выше номинального напряжения контактной сети U_кc = 3 кВ.

Переменное напряжение от трансформатора подается к выпрямителю 3. Ранее применялись ртутные выпрямители, а в настоящее время - полупроводниковые, выход которых подключен к шинам постоянного тока 4. Одна из шин подключается к рельсовому пути 8, а вторая – через автоматические быстродействующие выключатели 5 – контактной сети 6,7. От контактной сети получают питание электровозы и электропоезда, работающие на участках железных дорог постоянного тока.

Участки контактной сети разбивают на отдельные части, то есть – секционируют. Обычно отделяют контактную сеть над путями станций и перегонов с помощью воздушных промежутков 7. Во время прохождения полоза токоприёмника по такому промежутку 7 соседние секции контактной сети кратковременно замыкаются между собой. Тяговые подстанции располагаются на расстоянии 20 - 25 км. Электроподвижной состав постоянного тока имеет тяговые электрические двигатели постоянного тока, которые получают питание от контактного провода через токоприёмник. Регулирование скорости движения выполняется изменением напряжения на тяговых электродвигателях за счёт переключения их с последовательного на последовательно - параллельное или параллельное соединение; включении в цепь тяговых электродвигателей пускового реостата и изменением коэффициента регулирования возбуждения.

Аналогично исследованиям [1], приводим аналитические зависимости для определения энергетической эффективности локомотивов электрической тяги постоянного тока.

Электрическая энергия, потребляемая электроподвижным составом постоянного тока, включает в себя несколько составляющих [4,5] и расходуется на тягу поезда А_т; собственные нужды А_сн, в которые входят расходы электрической энергии на работу вспомогательных машин, питание цепей управления, освещения и отопления электроподвижного состава; а также маневровые передвижения по деповским и станционным путям А_м.

Тогда полный (общий) расход электрической энергии за поездку без учёта

расхода на движение по деповским железнодорожным путям и маневровой работе будет  равен:

                                                                   (1)

где А_т - расход электрической энергии на тягу (движение) поезда, кВт-ч; А_сн - расход электрической энергии на собственные нужды электровоза, кВт-ч.

Расход электрической энергии А_Т, затраченной электровозами постоянного тока на движение грузовых поездов по участку в режиме тяги, определяем по формуле:

                                                        (2)

где U_КС - напряжение в контактной сети, U_КС = 3000 В; I_эi - среднее на i - м интервале значение тока электровоза, потребляемого на тягу поезда, А; Δt_i - время прохождения i - го интервала, мин.

Расход электрической энергии на собственные нужды электровоза постоянного тока вычисляем по формуле:

                                                                          (3)

где t_х - общее время хода поезда по участку счёта в режиме тяги, холостого хода и торможения, мин; r - средний расход электрической энергии на

собственные нужды электровоза, кВт - ч/мин.

Удельный расход электрической энергии определяем по формуле:

                                                            (4)

где Q - масса состава (поезда), т; L - длина участка счёта, км.

Согласно методам теории локомотивной тяги [3,4] вышеприведённые формулы (1) – (4) используют, опираясь на уже построенные кривые скорости V(S) движения и времени t(S) хода грузового поезда с учётом кривой тока нагрузки I_э(V) для электровозов постоянного тока.

Полученные автором результаты исследования в последующем будут реализованы при анализе энергетики электрифицированных участков железных дорог постоянного тока и оценке тягово - энергетической эффективности локомотивов электрической тяги постоянного тока в условиях эксплуатации.

Список литературы:

1. 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.
2. 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.
3. Аблялимов О.С. Основы управления локомотивов: Учебник для профессиональных колледжей железнодорожного транспорта [Текст] / О.С. Аблялимов, Э.С. Ушаков. – Ташкент: «Davr», 2012. – 392 с.
4. Деев В.В. Тяга поездов [Текст] / В.В. Деев, Г.А. Ильин, Г.С. Афонин // Учебное пособие для вузов. – М.: Транспорт, 1987. – 264 с.
5. 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.