Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Общая оценка состояния создания и эксплуатации электропоездов метрополитена в мире и необходимости строительства метрополитена в крупных городах Вьетнама 10
1.1. Значение поездов метрополитена в обеспечении пассажирских перевозок в
крупных городах, опыт их создания и эксплуатации 10
1.1.1. Ведущая роль электрического транспорта, в том числе поездов метрополитена в жизнидеятельности крупных городов мира 10
1.1.2. Состояние создания и эксплуатации электропоездов метрополитена в некоторых крупных городах мира 11
1.2. К обоснованию необходимости строительства линий метрополитена в крупных городах Вьетнама 13
1.2.1. Состояние транспортной инфраструктуры Вьетнама 14
1.2.2. Актуальные проблемы городского транспорта в крупных городах Вьетнама, требующие решений
1.2.2.1. В городе Ханой 17
1.2.2.2. В городе Хошимин 23
1.3. О необходимости выбора напряжения и систем ТЭП для метрополитенов во
Вьетнаме 32
1.3.1. Выбор напряжения для вагонов метрополитена во Вьетнаме 32
1.3.2. Выбор системы ТЭП 34
Выводы по главе 1 35
ГЛАВА 2. Сопоставление эффективности систем тягового электропривода эксплуатируемых электропоездов метрополитена 36
2.1. Общие сведения о существующих системах тягового электропривода вагонов Московского метрополитена 36
2.2. Система тягового электропривода с дискретным реостатным управлениемн (ДРУ) и импульсным управлением (ИУ) 40
2.2.1. Краткое описание схемы силовых цепей вагонов метро с ДРУ 40
2.2.2. Система ТЭП подвижного состава постоянного тока с тиристорным импульсным управлением (ТИУ) и ее предполагавшиеся теоретические преимущества 40
2.2.3. Оценка сравнительной технико-экономической эффективности ТЭП с дискретным контакторным управлением и импульсным управлением 48
2.3. Система тягового электропривода с тиристорным реостатным контроллером (ТРК) и независимым возбужением тяговых машин (НВ ТМ). Возможности улучшения показателей поездов метрополитена 65
2.3.1. Возможности улучшения показателей ТЭП вагонов метрополитена 65
2.3.2. Предлагаемая система ТЭП для улучшения показателей ТЭП вагонов метрополитена 70
2.3.2.1. Преимущества предлагаемой системы ТЭП 76
2.3.2.2. Тяговые и энергетические характеристики предлагаемой системы ТЭП
2.4. Система ТЭП с асинхронными тяговами машинами (АТМ) 88
2.5. Сопоставление эффективности ЭПС систем тягового электропривода с АТМ и ТМ ПТ
2.5.1. Основные теоретические преимущества ЭПС с АТМ 89
2.5.2. Экономия расходов на обслуживание ТЭП с АТМ 90
2.5.3. Проблемы улучшения тяговых свойств ТЭП с АТМ 93
2.5.4. Сопоставление надежности АТМ и ТМ ПТ 96
2.5.5. Некоторые данные о КПД асинхронных тяговых машин и надежность 98
Выводы по главе 2 101
ГЛАВА 3. Расчет тягово-энергетических показателей вагонов метро с различными системами ТЭП 102
3.1. Значение тягово-энергетических расчетов для выбора наиболее рациональных систем ТЭП вагонов метрополитена 103
3.2. Тягово-энергетические показатели вагона метро с ТМ ПТ последовательного возбузжения (ПВ) 104
3.2.1. Технические характеристики ЭПС и тяговых двигателей 104
3.2.2. Расчет и построение кривых удельного основного сопротивления движению 105
3.2.3. Расчет электромеханических характеристик на ободе колеса 106
3.2.3.1. Автоматическая электромеханическая характеристика 106
3.2.3.2. Электромеханические характеристики на последовательном соединении ТМ 109
3.2.3.3. Электромеханические характеристики на параллельном соединении ТМ 111
3.2.4. Режим пуска. Определение пускового тока 116
3.2.5. Построение тяговых характеристик и кривой потребяемого поездом тока 117
3.2.6. Расчёт тормозных характеристик 118
3.2.7. Определение допустимой скорости движения 119
3.2.8. Построение кривых движения поезда 120
3.2.9. Определение расхода энергии на движение поезда 124
3.3. Тягово-энергетические показатели вагона метро с ТМ ПТ независимого возбуждения (НВ) 127
3.4. Тягово-энергетические показатели вагона метро с асинхронными тяговыми машинами (АТМ) ТАДП280М4 У2 130
3.4.1. Расчет массы, приходящейся на один тяговый двигатель 130
3.4.2. Расчет ограничений по сцеплению 130
3.4.3. Paсчет ускоряющих и замедляющих сил на оболе колеса 131
3.4.4. Построение кривой движения, определение величин средней скорости движения, ускорения, замедления, кривой разгона и тормозной пути. Определение расхода электроэнергии 133
3.5. Определение срока окупаемости замены серийных ЭПМ 81-717/714 с ТМ ПТ поездами с АТМ за счёт улучшения их энергетических показателей 139
3.5.1. Некоторые данные о стоимости поездов метрополитена и другигих типов ЭПС с различными системами ТЭП 139
Сведения о стоимости некоторых вагонов метрополитена упомянуты в [22-26, 88-89]. Ниже проведены анализ и сравнение их некоторых данных (табл. П.11 в приложении). 139
3.5.2. Сроки окупаемости замены серийных ЭПМ 81-717/714 с ТМ ПТ поездами с АТМ за счёт улучшения их энергетических показателей 141
Выводы по главе 3 142
ГЛАВА 4. Выбор наиболее рационального вагона для крупных городов вьетнама (пример, для г. хошимина) по тягово энергетическому рейтингу 143
4.1. Состояние и план строительства метрополитена во Вьетнаме 143
4.2. Тягово-энергетический рейтинг вагонов метрополитена с альтернативными системами тягового электропривода 147
Выводы по главе 4 156
Заключение 157
Литература 160
- К обоснованию необходимости строительства линий метрополитена в крупных городах Вьетнама
- Оценка сравнительной технико-экономической эффективности ТЭП с дискретным контакторным управлением и импульсным управлением
- Расчет и построение кривых удельного основного сопротивления движению
- Тягово-энергетический рейтинг вагонов метрополитена с альтернативными системами тягового электропривода
Введение к работе
Актуальность темы. Хошимин и Ханой – это самые современные города во Вьетнаме. Они являются не только центрами экономики, культуры, политики, образования страны, но и крупнейшими транспортными узлами Вьетнама с населением в каждом более 7 миллионов человек, что составляет около 10% от населения страны. Известно что транспортные проблемы городов – миллионников, включая экологию, можно удовлетворительно решить, как показывает и опыт г. Москвы, только построив в них метрополитены.
Поэтому программой развития транспорта г. Хошимина предусмотрено строительство до 2020г. 6-и линий метрополитена, первая из которых уже строится, а остальные проектируются. В связи с этим, по общему плану развития городского пассажирского транспорта до 2030г., в г. Ханой тоже будут строить всего 8 линий метрополитена, общая протяженность которых составляет 284 км.
Система тягового электропривода (ТЭП) для вагонов метрополитенов (ВМ) Вьетнама еще не выбрана окончательно.
Проблема выбора ТЭП для электроподвижного состава (ЭПС) сложна, но для ВМ она упрощается практической предопределенностью системы электроснабжения постоянного тока с напряжением в контактной сети 750 В.
Системы ТЭП сегодня реально могут быть либо с коллекторными тяговыми машинами (КТМ) постоянного тока (ПТ), либо с асинхронными (АТМ). В последнее время рядом специалистов настойчиво пропагандируется представление о бесспорных и существенных преимуществах АТМ, однако уже в ранних работах МЭИ показана ошибочность такого мнения. Но активная пропаганда преимуществ АТМ предопределяет необходимость изучения этой проблемы, что и сделано в диссертации.
Цель и основные задачи работы. Целью выполненных исследований диссертации является:
обоснование необходимости строительства метро во Вьетнаме;
анализ преимуществ и недостатков альтернативных систем ТЭП вагонов метрополитена;
углубленное сопоставление технико-экономической эффективности альтернативных систем ТЭП вагонов метрополитена по результатам тягово-энергетических расчетов (ТЭР) и по их данным в эксплуатации;
- выбор перспективного ТЭП для поездов метрополитена Вьетнама.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились с
использованием основ электрической тяги, теории ТЭП и автоматического управления. Для выполнения всех ТЭР использовались компьютерные программы MathСad 15, Microsoft Excel 2010.
Достоверность результатов исследований оценивалась их сопоставлением с опытными данными, полученными в процессе испытаний опытных вагонов на экспериментальном кольце ВНИИЖТ и также в процессе разработки, проектирования, создания и испытания ВМ специалистами ООО «ТОМАК, ЛТД» - коллективный член Российской инженерной академии (РИА).
Научная новизна. В работе получены следующие новые научные результаты:
сделан комплексный анализ основных факторов, влияющих на формирование пассажирских потоков и анализ сведений, подтверждающих необходимость строительства метрополитенов в крупнейщих городах Вьетнама, в частности, в г.г. Ханой и Хошимин;
в результате проведеных ТЭР различных систем ТЭП полученны все необходимые показатели для анализа и оценки их эффективности;
выполненный полный анализ известных данных выявил, что показатели вагонов метрополитена с АТМ много хуже прогнозировавшихся некоторыми специалистами при обосновании их высокой эффективности и необходимости повсеместного применения;
выбран наиболее рациональный тип вагонов для метрополитенов Вьетнама по тягово-энергетическим и ценовым показателям.
Практическая ценность и реализация работы. Результаты
выполненных исследований в диссертации полезны для проектирования, строительства и выбора наиболее перспективного ТЭП для поездов метрополитена Вьетнама, в частности, для Хошиминского метрополитена, который в настоящее время уже строится.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Электротехнические
комплексы автономных объектов и электрический транспорт» и на ряде
международных, всероссийских и региональных научно-технических
коференциах студеннтов и аспирантов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 печатных работ, в том числе 7 статей в изданиях по списку ВАК РФ, 20 статей и тезисов докладов на международных научно-технических конференциях в городах Москва, Тула, Иваново, Самара, Барнаул, Воронеж, Томск и т.д.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 119 наименований и приложений. Её содержание изложено на 187 страницах, включая 31 таблиц и 56 иллюстраций.
К обоснованию необходимости строительства линий метрополитена в крупных городах Вьетнама
Соотношение ширины коридора для разных видов транспорта при одинаковой пропускной способности В целом же изложенные в выполненном анализе факты и соображения показывают ведущую роль электропоездов метрополитена при интеграции транспортной, градостроительной и социальной политики, вместе определяющих уровень мобильности населения.
В связи с этим, сеть метрополитена постоянно и интенсивно развивается и модернизируется в многих городах мира.
Решение транспортной проблемы является постоянным и актуальным во многих больших городах мира, в том числе и во Вьетнаме. До 1990 года Вьетнам прошел через длительную отечественную войну и дотационно-распределительную систему, при которой потребность населения в передвижениях была небольшой, и фактически удовлетворялась личными транспортными средствами (велосипедами и мотоциклами). После 1990 года Вьетнам осуществляет открытую политику и широкое экономическое сотрудничество. В результате чего экономика государства начинает стремительно развиваться, и соответственно уровень жизни населения значительно повышается [7]. Это приводит к развитию потребности населения в передвижении, резкому увеличению количества мотоциклов, дорожно-транспортных происшествий (ДТП) и т.д.
При решении вопроса о вышеуказанной проблеме необходимо анализировать основные факторы, влияющие на интенсивность передвижения населения. Это тоже приведет к обоснованию необходимости строительства линий метрополитена в больших городах Вьетнама.
Вьетнам (рис.1.3) является страной с благоприятным географическим положением, протяженной береговой линией, имеет сеть рек, каналов, способствующих использованию всех типов транспорта для социально-экономического развития [8].
Проходя довольно длительный путь создания и развития транспортной инфраструктуры, Вьетнам добился значительного прогресса, построил много важных сооружений по всей стране. Но по большому счету, материально-техническая база транспорта по-прежнему низка, асинхронна и не соответствует реалиям передовых стран в регионе.
Сухопутные дороги Вьетнама имеют протяженность более 310 тыс. км, около трети из них – автомобильные. Однако, дорожная инфраструктура еще имеет существенные недостатки, в частности качество дорог серьезно деградировало, многие маршруты круглогодично не работают, много временных, узких мостов, к тому же их нет во многих точках пересечения автомобильных и водных дорог, системы электрического освещения не хватает. Нынешняя сеть местных дорог также очень слаба.
В системе государственных магистралей имеется много узких линий (только одна полоса), многие дороги бывают затоплены в сезон дождей. Это вызывает пробки на дорогах, технические стандарты дорог низкие (только 60% национальных шоссе и 30% провинциальных дорог покрыты асфальтом). Дороги с четырьмя и больше полосами составляют около 4%, дороги с двумя полосами - около 40%. Сооружения дорожной инфраструктуры, такие как мосты, водопропускных труб хотя получили инвестиции на модернизацию, но многие остаются слабыми, старыми или поврежденными. Техническое обслуживание и ремонт дорог затруднено из-за отсутствия средств [9]. Во Вьетнаме железные дороги построены и используются более века, сеть состоит из семи линий с общей протяженностью маршрута 2632 км. Железные дороги имеют 3 типа колеи: 1000 мм, 1435 мм и сочлененные между ними, большинство из них имеет одноколейное движение. Железнодорожные пути с более широкой колеей имеют протяженность около 400 км. Основная железнодорожная магистраль Ханой – Хошимин (1730 км) протянулась через всю страну с севера на юг. Многие железнодорожные линии пересекаются с автомобильными дорогами, что вызывает трудности для городского движения, создавая дорожные препятствия и пробки. Железнодорожный транспорт – самая слабая отрасль в транспортной системе страны, отличается неудовлетворительным состоянием путей, устаревшим парком локомотивов и подвижного состава, малыми скоростями [104].
В настоящее время на первом месте по объему перевозок во Вьетнаме находится автотранспорт (73%), на втором идет речной транспорт (18%), далее следуют морской (8,1%), железнодорожный (0,9%) и авиационный (0,02%) (рис. 1.4) [10]. Железнодороый Морской Авиационный транспорт; 0,88% транспорт; -"" транспорт, 0.02% 8,1% Речной 1 транспорт, 18% — Автотранспорт; /73% Рис. 1.4. Объем перевозок видов транспорта во Вьетнаме Как показывает отечественная и зарубежная практика, увеличение доля автотранспорта (автомобили, мотоциклы, велосипеды и т.д.) несет в себе отрицательные последствия, связанные с большим числом ДТП, огромным материальным ущербом, негативным влиянием на экологическое состояние городской среды, загромождением улиц, и конечно – большими пробками, особенно в часы «пик» [7]. Решение указанных проблем только одно – равивать улично-дорожную сеть транспорта больших городов, в том числе городский транспорт (метрополитен, скоростный поезд, легкий рельсовый поезд).
Ханой — столица Вьетнама и второй по численности населения город страны. Главный политический, образовательный и культурный центр страны и второй по значению промышленный центр (после г.Хошимина).
Ханой является одним из основных узлов транспортировки товаров и пассажиров по всей страны. До конца 2008 года площадь Ханоя увеличилась более чем в три раза, так как к городу был присоединён ряд прилегающих провинций и районов (рис. 1.5). Теперь столица Вьетнама имеет общую площадь порядка 3 345 км. Ханой вошёл в число 17 крупнейших по площади городов мира [11]. Основные транспортные проблемы города Ханой 1) Беспорядочный рост транспортных средств при росте развития экономики и населения
Город Ханой характеризуется быстрыми темпами роста населения и расширением центральной части города. В 2010 г. население в центральной части города составило 2,804 млн. чел. (43% населения города), а в 2015 г. – 2,9313 млн. чел. По таблице 1.2. и рис. 1.6. очевидно, что в период 2010-2015 численность населения в центральных районах города меньше чем в пригородных районах но их плотность населения больше в 5 раз, и по прогнозу, к 2020г., численность населения в центре еще увеличится [12].
Оценка сравнительной технико-экономической эффективности ТЭП с дискретным контакторным управлением и импульсным управлением
В последние годы по росту экономики г. Хошимин всегда занимал первое место в стране. В 2015 году город вносил свою долю - 30,3% в ВВП страны и показатель ВВП/чел. города достигал 5538 долл (больше чем ВВП/чел. города Ханоя в 1,5 раза), в то время как средний показатель по стране только 2300 долл. К 2020г. -9800 долл. чел., то уровень роста 9,8%/год (таблица 1.3). Экономика города значительно зависит от промышленности, строительства и сферы услуг. Сейчас строятся промышленные районы вокруг города. Развитие экономики города приводит к развитию экономики в прилегающих к городу районах. Развитие экономики города предопределяет увеличение передвижения населения как в производственных целях, так и в личных интересах.
Особенность улично-дорожной сети г. Хошимина
В настоящее время общая протяженность улично-дорожной сети г. Хошимина составляет 3670 км. Она образует 3600 коротких, узких линий. Ширина проезжей части большинства улиц узкая и, она не соответствует требованиям городского движения. Улицы, имеющие ширину проезжей части более 12м, на которых можно организовать движение автобусов, составляют 14%, а 51 % улиц - ширина проезжей части которых равна от 7 до 12 м, на них могут двигаться только легковые автомобили и двухколесные транспортные средства [18]. На остальных улицах, число которых составляет 35% всех улиц города, могут двигаться только мотоциклы и велосипеды . Более того, улично-дорожная сеть г. Хошимин размещается неравномерно. Средняя плотность улиц города составляет 0,463 км2/ 1000 чел. Эта плотность очень мала для большого города, она в 7-10 раз ниже, чем рациональная плотность улиц мира. В городе площадь земли для использования транспорта недостаточна. Она составляет меньше 6,5 % площади города, тогда как средняя доля в мире от 20 до 25%. Более того, на таких улицах здания расположены по красным линиям, т.е. на законном основании, в связи с чем очень трудно расширить улицы. Технические показатели улично-дорожной сети различны: высокие в центре и низкие в пригородных районах. В г. Хошимин имеется большое число перекрёстков (1350), большинство которых находится на одном уровне. Также 5-6 направлений движения пересекаются на одном уровне. Расстояния между перекрестками улиц незначительные (обычно меньше 300 м). Часто железные дороги проходят через город, пересекаясь с городскими улицами на одном уровне. В результате чего снижается скорость движения, увеличивается расход горючего и затраты времени пассажиров, поэтому средняя скорость движения потоков составляет только 23 км/час, и в связи с этим возникают заторы.
Приведённые данные свидетельствуют о том, что рост города, рост численности населения и социально-экономическое развитие не соответствуют развитию транспортных сооружений, которые сейчас сильно загружены. Уровень развития транспортной системы г. Хошимин В настоящее время недостаточность кольцевых дорог заставляет грузовые и транзитные машины двигаться через центр города. Это большая проблема транспортной системы города. Тогда как радиальных дорог, соединяющих районы между собой и центром, недостаточно. Они узкие и сильно перегружены, но основное движение населения города происходит именно по этим дорогам. С развитием города и отсутствием увеличения улично-дорожной сети возникают следующие проблемы: загрязнение окружающей среды, транспортные заторы, ДТП. Особенно сложное положение сложилось в сфере ДТП (таблица 1.9). Таблица 1.9 - Динамика дорожно-транспортных происшествий (ДТП) Город Чичло ДТП Число погибших Число раненых 2014г. 2015г. 2014г. 2015г. 2014г. 2015г. Ханой 943 884 294 316 695 740 Хошимин 3591 3050 584 596 3353 2657 Вся страна 18698 16459 6758 6518 17835 14929
По рис. 1.12 очевидно, что число ДТП в 2015 году снизилось но число погибших еще увеличилось. Это показывает, что существующая транспортная система в больших городах Вьетнама (большинство двухколесных транспортных средств) имеет низкую безопасность, небходимо создавать наиболее безопасные виды транспорта, а именно метро.
В г. Хошимин очень сложный состав движения на улицах, что выражается в многообразии типов ПС, имеющего разные скорости. Сегодня население города использует следующие основные виды подвижного состава: велосипеды, мотоциклы, велорикши, легковые автомобили, автобусы, такси (рис. 13).
Из транспортных средств наибольшее распространение получили двухколесные — мотоциклы и велосипеды. В последние годы количество велосипедов значительно уменьшалось. Напротив, количество мотоциклов-увеличивалось (49% в период 2010-2015г.). В г. Хошимин в 2015 году (было зарегистрировано 6,7 млн. мотоциклов всех видов. Количество мотоциклов, приходящихся на 1000 чел., достигло примерно 850 (рис. 1.4). Это соотношение -очень высокое в мире. В будущем этот показатель будет расти.
Причины быстрого увеличения количества мотоциклов следующие: город разрастается, расстояние передвижения населения увеличивается, поэтому велосипед с его малой скоростью стал нерациональным видом транспорта. С другой стороны, рост экономики привёл к повышению уровня жизни населения. Вместе с тем увеличиваются запросы использования мотоциклов. Незначительная доля общественного транспорта является одной из причин увеличения числа мотоциклов.
Рост количества автомобилей - 34% (в период 2010-2015), но во Вьетнаме количество автомобилей, приходящихся на 1000 чел., значительно меньше, чем в больших городах Азии (Бангкок, Пекин, Сингапур). В 2015 году в г.Хошимине численность населения составляла около 8 млн. чел. а число автобусов – 3000 с 138 маршрутами, что удовлетворяло требованиям потребности населения на 1,875%. Как отмечалось раньше, в городе Хошимине ширина проезжей части улиц очень узкая, поэтому все типы подвижного состава двигаются вместе. Это создаёт смешанные потоки движения. Движение транспорта так организовано, что автобусам очень трудно передвигаться по городу и останавливаться по рабочему расписанию.
Расчет и построение кривых удельного основного сопротивления движению
Рассматриваем схему силовых цепей вагона метрополитена 81-717/714, представленую на рис. П.10.
Основными аппаратами системы являются групповые контроллеры, один из которых называется переключателем положений (ПП), а другой реостатным контроллером (РК). С помощью первого производится переключение схемы на режим хода и тормоза, а также с последовательного на параллельное соединение ТМ, а с второго – регулирование сопротивлений в цепи ТМ при пуске и торможении.
Пуск вагона производится путём постепенного выведения пусковых сопротивлений за два оборота РК. При установке контроллера машиниста на тормозные позиции включаются линейные контакторы ЛК3, ЛК4 и ЛК2. Работа схемы силовых цепей вагонов метро с ДРУ в тяговым и тормозном режимах подробно рассматриваются в [43, 105, 108-110]
Система ТЭП подвижного состава постоянного тока с тиристорным импульсным управлением (ТИУ) и ее предполагавшиеся теоретические преимущества Схема силовых цепей вагона метро с ИУ представлена в рис П.9 (приложение) Система управления вагоном обеспечивает плавный автоматический безреостатный пуск и рекуперативное торможение практически до полной остановки вагона с достаточно широкими пределами изменения ускорения и замедления; плавное регулирование возбуждения ТМ при пуске и торможении; быстродействующее автоматическое замещение рекуперативного торможения реостатным при отсутствии потребителей энергии в контактной сети и обратный переход на рекуперативное торможение при появлении потребителей или переход на смешанное торможение, если мощность потребителей недостаточна для потребления всей вырабатываемой энергии вагоном.
В схему силовых цепей ВМ входят: четыре ТМ; автоматические выключатели АВ1-АВ3; силовые резисторы Rщ1, Rщ2, R01, R02, Rт1, Rт2, Rб; транзисторный регулятор напряжения и возбуждения; датчики тока ТПТ-1-ТПТ-2; реверсор В1-В2, Н1-Н2; тормозной переключатель ТП-Х, ТП-Т; реле РМТ, контактор КТ.
Реле РМТ типа РЭВ-312 служит для включения замещающего механического торможения при истощении или неисправности электрического торможения.
Транзисторный регулятор напряжения состоит из входного РР, Cф, выходного L1, L2, Д1, Д2 и транзисторного прерывателя, состоящего из транзисторов Т1-Т6.
В качестве датчиков тока используются трансформаторы постоянного тока ТПТ-1-ТПТ-2. В датчиках тока ТЭД ТПТ-1 и ТПТ-2 совмещаются трансформатор постоянного тока и трансформатор тока. Вторичная обмотка последнего включена в цепь выпрямителя и служит для уменьшения провалов выпрямленного тока, что уменьшает погрешность датчика, особенно при резких переходных режимах.
Работа схемы силовых цепей в тяговом режиме Принципиальная электрическая схема представлена на рис. П.9. Система управления вагона обеспечивает четыре пусковых режима: маневровый и три ходовых с различными уставками тока ТМ. По команде «Ход-1» собирается схема маневрового режима с последовательным соединением ТМ. Пусковой ток протекает от токоприемника ХА1, через соединительную коробку ХТ1, РР, предохранитель F, автоматический выключатель АВ1 и далее через цепь ТЭД. Работа схемы силовых цепей в тормозном режиме Система управления вагона обеспечивает пять тормозных режима. Ток первой группы ТМ проходит по цепи: Я3 – В3 – (ТП-Х) – ТПТ-1 – R01(К1-КК1-КК3-К3-Т3) – Д1 – АВ1 – F – РР – ХТ1 – Uп – Rб – КТ – РМТ- АВ2 – L1 – ТП-Х – В1 – Я1. При этом обмотки возбуждения шунтированы минимальным сопротивлением R01– Rш1. В случае реостатного торможения после обмоток возбуждения ток проходит через Rт1 Rб и далее по рассмотренной цепи. Ток второй цепи ТМ протекает по аналогичной цепи. Системы тиристорного управления ЭПС постоянного тока Рассмотрение всех предложенных в России и за рубежом систем тиристорных преобразователей заняло бы много места, и, в то же время, вряд ли было бы практически полезным, так как многие из них отличается не приципами работы, а авторостепенными деталями [35]. Ограничимся лишь основными системами преобразования напряжения постоянного тока на ЭПС.
Поскольку при статических преобразованиях на ЭПС постоянного тока возможно применение ТМ, как постоянного тока, так и бесколлекторных многофазных переменного тока, необходимо в первую очередь различать преобразовательные системы постоянно-постоянного и постоянно- многофазного тока (рис. 2.3).
Тягово-энергетический рейтинг вагонов метрополитена с альтернативными системами тягового электропривода
Метрополитены становятся крупными потребителям электроэнергии. например, по известным данным в 2007 г. длина линий Мосметрополитена составляла около 305 км, а потребление энергии из внешнего электроснабжения около 1,6 млрд. кВт.ч в год [3, 23-26, 45-49, 99].
Поэтому одновременно с повышением динамики ЭПС должна решаться и проблема обеспечения более экономичной его работы. Резервами улучшения энергетических показателей поездов метрополитена являются снижение потерь в пусковых резисторах, которые составляют от 5 до 8%, повышение К.П.Д. тягового привода, потери в котором превышают 10%, и рациональное использование энергии торможения, которая составляет до 45% общих затрат энергии на движение поезда. Эти цифры показывают, что наибольший эффект в области улучшения энергетических показателей поездов метрополитена в принципе может дать применение рекуперативного торможения.
Однако практическая реализация этого резерва на метрополитене также имеет свои особенности. Основное затруднение состоит в необходимости сохранения тормозных сил на уровне реализуемых при реостатном торможении. Эта задача может быть решена несколькими путями: двойным увеличением токов по отношению к режиму реостатного торможения, параллельным включением ТМ на высоких скоростях движения и включением в цепи якорей балластных резисторов. Каждое из этих решений обладает своими очевидными недостатками. Практическое применение пока находит только использование балластных резисторов. Другим затруднением является использование возвращенной в контактную сеть энергии. С учетом всего этого при подвижном составе с ТМ ПТ за счет рекуперации можно экономить до 15—20 % энергии. Необходимо также учитывать влияние новых технических решений на массо-габаритные характеристики, стоимость и надежность работы электрооборудования вагонов.
Таким образом, проблема повышения пропускной способности линий метрополитена требует решения непростых взаимосвязанных задач в области совершенствования ЭПС. Задача дополнительно осложняется необходимостью учета параметров системы электроснабжения и других устройств, обеспечивающих движение поездов, в частности, автоблокировки и автоведения.
В последние годы в нашей стране и за рубежом ведутся интенсивные работы в области улучшения динамических показателей и других эксплуатационных парамет ров ВМ. Основными направлениями этих работ являются: повышение мощности ТМ ПТ в традиционной системе ТЭП, с контакторно-реостатным управлением; совершенствование тиристорно-импульсного управления при сохранении ТМ ПТ последовательного возбуждения; оборудование вагонов с контакторно-реостатным и тиристорно-импульсным регулированием напряжения на ТМ системой автоматически регулируемого независимого их возбуждения; создание тягового привода с бесколлекторными машинами переменного тока. Каждое из этих направлении имеет свои преимущества и недостатки, Эффективность увеличения мощности ТМ подтверждена опытом создания вагонов типа 81-717 с ТМ типа ДК-117 мощностью 110 кВт. По сравнению с вагонами типа Е (мощность ТМ типа ДК-108 66 кВт) при той же скорости доставки пассажиров вагоны типа 81-717 по данным завода «Динамо», потребляют энергии на 7 % меньше, несмотря на то что потери в их пусковых реостатах на 4% больше (вследствие роста скорости, при которой заканчивается резисторное регулирование) [51].
Определенным резервом снижения пусковых потерь и некоторого улучшения динамики за счет устранения колебаний силы тяги является использование тиристорно-имульсного управления. Однако при этом возникают дополнительные потери в тиристорном преобразователе и его фильтре, значительно увеличивается стоимость и растет вес электрооборудования (по сравнению со схемой контакторно реостатного управления). Поэтому при относительно небольших потерях в пусковых реостатах ВМ применение на них тиристорно-импульсного управления экономически оправдано лишь при условии обеспечения эффективного использования рекуперативного торможения, что может потребовать оборудования тяговых подстанций инверторами. Последнее обстоятельство может оказать существенное влияние на технико-экономическую эффективность внедрения тиристорно-импульсного управления на ВМ.
В последнее время широко исследуются возможность и эффективность применения на ВМ тягового привода с бесколлекторными, в первую очередь АТМ. В качестве основных доводов в пользу асинхронного привода называют якобы имеющуюся возможность некоторого уменьшения расхода энергии за счет снижения массы ротора и сокращение расходов на эксплуатацию ТМ. Устранение коллекторно-щеточного аппарата действительно может существенно упростить и удешевить эксплуатацию, хотя в общих расходах на обслуживание вагона доля ТМ составляет не более 10—20 %, а доля коллекторнощеточного аппарата в последних невелика. Однако это преимущество и возможное незначительное уменьшение массы ротора машины получаются за счет ухудшения ряда других показателей ТЭП.
Дело в том, что в этом случае по сравнению с тиристорно-импульсным регулятором постоянного напряжения существенно усложняется преобразователь, растут его масса и стоимость, значительно уменьшается К.П.Д. Общие потери в приводе дополнительно увеличиваются в связи с более низким К.П.Д. самих АТМ (по сравнению с ТМ ПТ) и их повышенной чувствительностью к пульсации и несимметрии токов и напряжений. При питании всех ТМ или машин одной тележки вагона от одного преобразователя возникают трудности с ограничением разброса их нагрузок. При питании каждой машины от своего индивидуального преобразователя, которое позволяет регулировать распределение нагрузок ТМ, дополнительно усложняются сами преобразователи и их системы управления, а также возникают трудности с обеспечением противобоксовочной защиты.