Justification of the Structure of the Electric Traction Drive of the Electric Locomotive for Railway Quarry Transport

ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту, 2022, № 2 (98) ЕЛЕКТРИЧНИЙ ТРАНСПОРТ, ЕНЕРГЕТИЧНІ СИСТЕМИ ТА КОМПЛЕКСИ УДК 629.423:[621.33:622.683] Є. С. РЯБОВ1*, Л. Ю. КОНДРАТЬЄВА2, Л. В. ОВЕР’ЯНОВА3, Б. Х. ЄРІЦЯН4, С. О. ГУЛАК5 1*Каф. «Електричний транспорт та тепловозобудування», Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», вул. Кирпичова, 2, Харків, Україна, 61002, тел. +38 (097) 302 14 54, ел. пошта , ORCID 0000-0003-0753-514X 2Каф. «Електричний транспорт та тепловозобудування», Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», вул. Кирпичова, 2, Харків, Україна, 61002, тел. +38 (057) 707 65 30, ел. пошта , ORCID 0000-0002-2788-9116 3Каф. «Електричний транспорт та тепловозобудування», Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», вул. Кирпичова, 2, Харків, Україна, 61002, тел. +38 (057) 707 65 30, ел. пошта , ORCID 0000-0002-4827-572X 4Каф. «Електричний транспорт та тепловозобудування», Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», вул. Кирпичова, 2, Харків, Україна, 61002, тел. +38 (057) 707 65 30, ел. пошта , ORCID 0000-0003-0579-3882 5Каф. «Електромеханіка та рухомий склад залізниць», Державний університет інфраструктури та технологій, вул. Кирилівська, 9, Київ, Україна, 04071, тел. +38 (096) 563 12 53, ел. пошта , ORCID 0000-0002-2294-5676 Обґрунтування структури тягового електропривода електровоза для залізничного кар’єрного транспорту Мета. Ця робота спрямована на обґрунтування структури та визначення основних параметрів тягового електропривода електровоза для залізничного кар’єрного транспорту з урахуванням режимів його роботи. Методика. Дослідження виконано шляхом математичного моделювання, яке передбачало розв’язання тягової задачі та оцінку параметрів процесів енергетичного обміну між компонентами тягового електропривода. Моделювання проведено для руху поїзда по ділянці шляху та під час маневрування, що істотно відрізняється за їх математичного опису. Під час моделювання руху по ділянці шляху розв’язано тягову задачу з використанням рекомендацій щодо тягових розрахунків для поїзної роботи. Для моделювання переміщень під час маневрування розроблено спрощену модель. Визначення параметрів компонент тягового електропривода проведено шляхом аналізу процесів енергетичного обміну в тяговому електроприводі на основі балансу потужності. У ході досліджень узято, що бортовий накопичувач енергії в режимі тяги живить тягові електродвигуни бустерної секції. У режимі електродинамічного гальмування накопичувач енергії запасає енергію від усіх тягових електродвигунів електровоза. Результати. Автори отримали часові залежності параметрів, які характеризують рух поїзда на всіх етапах циклу «порожній напіврейс – навантаження – завантажений напіврейс – розвантаження» (на прикладі електровоза ПрАТ «Полтавський ГЗК»). Аналіз отриманих залежностей дозволив визначити параметри основних компонент тягового електропривода для запропонованого сценарію роботи накопичувача. Установлено, що енергоємність накопичувача енергії має становити 250 кВт·год для одного циклу руху. Потужність накопичувача енергії – 6 000 кВт. Наукова новизна. Автори цієї роботи вперше запропонували структуру тягового електропривода електровоза для кар’єрного залізничного транспорту, у якому живлення електродвигунів електровоза керування здійснюється від контактної мережі, а електродвигуни бустерної секції живляться від накопичувача енергії й починають працювати за навантаження, яке перевищує 50 % від номінального. Практична значимість. Розроблені математичні моделі руху та процесів енергетичного обміну можуть бути застосовані для дослідження тягових електроприводів транспортних засобів різного призначення. Ключові слова: кар’єрний залізничний транспорт; електровоз; тяговий електропривід; накопичувач енергії; тягова задача Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2022/267984 26 © Є. С. Рябов, Л. Ю. Кондратьєва, Л. В. Овер’янова, Б. Х. Єріцян, С. О. Гулак, 2022 ISSN 2307–3489 (Print), ІSSN 2307–6666 (Online) Наука та прогрес транспорту, 2022, № 2 (98) ЕЛЕКТРИЧНИЙ ТРАНСПОРТ, ЕНЕРГЕТИЧНІ СИСТЕМИ ТА КОМПЛЕКСИ Вступ В Україні на відкритих гірських розробках корисних копалин широко застосовують електрифікований залізничний транспорт [1]. Його перевагами є низькі експлуатаційні витрати та незначна шкода навколишньому середовищу. Проте зростання вартості енергоносіїв та вимог щодо зниження викидів СО2 спонукає до подальшого вдосконалення електричної тяги. З урахуванням зношеності наявного рухомого складу, який експлуатують на гірничо-видобувних підприємствах, доцільним є його оновлення. У [3] визначено основні технічні параметри електровоза з асинхронним тяговим електроприводом для залізничного кар’єрного транспорту (на прикладі електровоза для ПрАТ «Полтавський ГЗК»). Найпоширенішими режимами роботи такого електровоза є режими з частковим навантаженням. Робота з номінальним навантаженням відбувається тільки під час руху на керівному підйомі, у разі розгону та в режимах електродинамічного гальмування. За такого характеру навантаження багатодвигунного електропривода доцільним є пошук шляхів підвищення його енергетичної ефективності. Для багатодвигунного асинхронного електропривода електровозів у режимах роботи з частковим навантаженням характерне підвищене споживання енергії [6]. Один зі способів зниження енергоспоживання такого електропривода полягає у відмиканні частини тягових електродвигунів. Його ефективність було підтверджено експериментально [6]. Інший підхід до оптимізації енергоспоживання багатодвигунного електропривода полягає в розподілі навантаження між електродвигунами [15, 17, 18]. Робота [19] присвячена аналізу енергетичних показників багатодвигунного електропривода для визначення можливості його застосування. Варто зазначити, що в цих роботах досліджено колісний електротранспорт, однак методика дослідження може бути розповсюджена і на рейковий рухомий склад. Для забезпечення оптимальних режимів роботи багатодвигунного електропривода важливою є його структура. У [11] запропоновано нову структуру тягового електропривода рейкового транспортного засобу з бортовою системою накопичення енергії. У [18] розроблено концепцію вантажного локомотива з бортовим Creative Commons Attribution 4.0 International doi: https://doi.org/10.15802/stp2022/267984 накопичувачем енергії. У [8] розглянуто структури тягових електроприводів рухомого складу, що перебуває в експлуатації. У [13, 14] досліджено можливість застосування накопичувачів енергії для забезпечення функції «last mile» в магістральному електровозі. Застосування акумуляторного локомотива FLXdrive [9] у складі багатосекційного тепловоза дозволяє знизити споживання палива. Як свідчать дослідження, застосування у складі тягового електропривода накопичувача енергії сприяє зменшенню енергоспоживання. Застосування бортового накопичувача енергії в електровозі для залізничного кар’єрного транс (...truncated)