Increase of power efficiency of electric traction of freight trains

ISSN 2223–5620 (Print), ISSN 2411–1554 (Online) Електромагнітна сумісність та безпека на залізничному транспорті, 2017, № 14 УДК 656.224.022.846 А. М. АФАНАСОВ – д. т. н., професор, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, , ORCID: 00000003-4609-2361 С. В. АРПУЛЬ – к.т.н., доцент, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, , ORCID: 0000-0003-3698-2627 ПІДВИЩЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ТЯГИ ВАНТАЖНИХ ПОЇЗДІВ товаріантні тягові розрахунки для електровозу 2ЭС5К на ділянці «Знам'янкаСортувальна  Одеса-Сортувальна» Одеської залізниці в обох напрямках (протяжність дільниці – 385 км). Вступ Енергозбереження на залізничному транспорті в умовах ринкової економіки є одним з основних пріоритетів науковотехнічної політики Укрзалізниці. Застосування тиристорних напівпровідникових випрямлячів ще в минулому столітті дало можливість створити електровози з плавним регулюванням напруги на колекторних тягових двигунах пульсуючого струму (ВЛ80Р, ВЛ85). На наступний час такий електрорухомий склад остається досить ефективним та конкурентоспроможнім, а тому успішно експлуатується на залізницях України (2ЭС5К, 2ЕЛ5). Накопичений досвід показує, що застосування плавного багатозонного регулювання напруги на тягових двигунах дозволяє підвищити як тягові, так й енергетичні показники електровозів в режимах тяги та рекуперативного гальмування, але показники енергетичної ефективності, які фіксуються в реальних умовах експлуатації цих електровозів, часто не відповідають сучасним вимогам [1]. Це може бути результатом використання нераціональних режимів тяги з недостатньо високими значеннями коефіцієнтів потужності та корисної дії електровозів, що, в свою чергу, підвищує загальні та питомі витрати електроенергії на тягу поїздів [2, 3]. Метою даного аналізу було визначення загальних закономірностей впливу режимів тяги та характеристик перевізного процесу на загальні та питомі витрати електроенергії на тягу вантажних поїздів. Для проведення даного аналізу було проведено бага- Постановка задачі дослідження Задачі дослідження:  отримання залежності витрат електроенергії на тягу від загального часу руху на дільниці та технічної швидкості;  отримання залежності витрат електроенергії на власні потреби від загального часу руху на дільниці та технічної швидкості;  визначення можливості зменшення загальних витрат електроенергії на тягу поїздів зменшеної маси за рахунок відключення частини тягових двигунів. Методика розрахунків Повні витрати електроенергії визначаються як А  АТ  АВП , де А, АТ, АВП – повні витрати, витрати на тягу та на власні потреби відповідно. Відносні відхилення витрат електроенергії (повні ΔА, на тягу ΔАТ та на власні потреби ΔАВП) визначаються за виразами: Ai  AТ i   Ai  A6   100% A6 ;  AТ i  AТ 6   100% AТ 6 ; © А. М. Афанасов, С. В. Арпуль, 2017 38 ISSN 2223–5620 (Print), ISSN 2411–1554 (Online) Електромагнітна сумісність та безпека на залізничному транспорті, 2017, № 14 AВП i   AВП i  AВП 6   100% AВП 6 1 Результати розрахунків на напрямку «Знам’янкаСортувальна – ОдесаСортувальна» , де А6 – витрати електроенергії для базисного варіанту розрахунку; i – варіант розрахунку. Питомі витрати електроенергії (повні а, на тягу аТ та на власні потреби аВП) визначаються за виразами: В табл. 1 представлено результати тягових розрахунків на дільниці «Знам’янкаСортувальна – Одеса-Сортувальна» для вантажного поїзда з електровозом 2ЭС5К. При виконання тягових розрахунків масу состава було прийнято рівною 5000 т. Розрахунки виконано для різних значень часу руху поїзда від 6,24 год до 10 год, цей діапазон зміни часу руху поїзда є реальним для даної дільниці. В табл. 1 використовуються наступні позначення: t – час руху поїзда; VТ – технічна швидкість руху поїзда; S – довжина дільниці; i – варіант розрахунку від 1 до 10. 4 ai  10 A i P  Q S ; 4 10 AТ i P  Q S aТ i  ; 4 aВП i  10 AВП i P  Q S , де S – довжина дільниці; P, Q – маса електровоза та состава відповідно. Відносні значення питомих витрат електроенергії (на тягу а'Т та на власні потреби а'ВП) визначаються за виразами: aТ i  aТ i  100% ai ;  i aВП aВП i  100% ai , де аi – питомі витрати електроенергії для iго варіанту розрахунку. Тягові розрахунки виконувались за стандартною методикою [4, 5]. При виконанні тягових розрахунків використовувалася тягова характеристика електровоз 2ЭС5К, представлена на рис. 1, а для визначення витрат електричної енергії струмова характеристика електровоза (див. рис. 2). Витрати електричної енергії на власні потреби приймалися рівними PВП = 4,4 кВт·год/хв для двох секцій електровоза та PВП = 2,2 кВт·год/хв для однієї секції. Напруга контактної мережі приймалася незмінною, рівною 25 кВ. Масу електровозу прийнято 192 т. Рис. 1. Тягова характеристика електровоза 2ЭС5К Рис. 2. Струмова характеристика електровоза 2ЭС5К (активна складова повного струму) © А. М. Афанасов, С. В. Арпуль, 2017 39 ISSN 2223–5620 (Print), ISSN 2411–1554 (Online) Електромагнітна сумісність та безпека на залізничному транспорті, 2017, № 14 Аналіз даних розрахунків показує, що при зменшенні часу руху поїзда з 7 год. 54 хв. до 6 год. 14 хв. витрати електроенергії на тягу збільшуються приблизно на 11 %, а витрати електроенергії на власні потреби зменшуються на 21 %. При цьому загальні витрати електричної енергії на даній дільниці збільшуються на 7,9 % (дивись табл. 1). При виконанні аналізу приведених результатів в якості базисного значення витрат електричної енергії було прийнято дані для 6-го варіанту розрахунку, який наближений до графіку руху вантажного поїзда з часом руху 7 год. 47 хв. На рис. 3 наведено залежності відносних змін витрат електроенергії від часу руху поїзда на даній дільниці за обраним напрямком. Рис. 4 ілюструє залежність питомих витрат електричної енергії на вказаній вище дільниці від технічної швидкості руху поїзда. Залежність питомих витрат електроенергії від технічної швидкості на напрямку «Знам’янка-Сортувальна – ОдесаСортувальна» наведено на рис. 5. На рисунку приведена прогнозована крива питомих витрат електроенергії, яка побудована за формулою a VТ   0,0012 VТ  0,3669 VТ  76, 202 . 2 Рис. 3. Залежності відносних відхилень витрат електроенергії від часу руху на дільниці «Знам’янка-Сортувальна – Одеса-Сортувальна» Рис. 4. Залежності витрат електроенергії від технічної швидкості на дільниці «Знам’янкаСортувальна – Одеса-Сортувальна» Таблиця 1 Результати розрахунку витрат електроенергії на дільниці «Знам’янка-Сортувальна – Одеса-Сортувальна» Параметр t, год VТ, км/год S, км А, кВт·год АТ, кВт·год АВП, кВт·год ΔА, % ΔАТ, % ΔАВП, % а, кВт·год/104 т·км аТ, кВт·год/104 т·км аВП, кВт·год/104 т·км а'ВП, % а'Т, % Варіант розрахунку 5 6 1 2 3 4 6,24 63,6 6,32 62,5 6,66 58,6 7,01 55,2 7 8 9 10 7,66 7,90 8,35 8,49 9,43 10,01 50,1 48,5 45,8 45,0 40,3 38,0 385 20892 20765 20382 20086 19480 19365 19123 19050 1852 (...truncated)