Введение к работе
Актуальность. В «Энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до 2030 года отмечается необходимость снижения энергоемкости перевозочного процесса. В связи с чем, важное значение придается техническому перевооружению железнодорожного транспорта и улучшению тягово-энергетических показателей электроподвижного состава.
В настоящее время значительный объем грузовых перевозок на полигоне постоянного тока выполняется электровозами серии ВЛ10, силовые схемы которых предусматривают возможность рекуперативного торможения. В связи с увеличивающейся долей грузовой работы особый интерес представляет применение рекуперативного торможения на грузовых электровозах, которое по ряду факторов используется недостаточно эффективно.
Особенность грузового движения заключается в том, что наибольшая эффективность рекуперации достигается на участках с затяжными спусками и тяговыми подстанциями, оборудованными инверторами для передачи рекуперативной энергии во внешнюю энергосистему. Однако, не на всех железных дорогах с интенсивным грузовым движением имеются затяжные спуски. Более 70% протяжённости российских железных дорог постоянного тока имеют равнинный профиль. В этих условиях возможность использования рекуперативного торможения на ЭПС уменьшается. При существующих тарифах на электроэнергию должна использоваться любая возможность уменьшения расхода энергии. Поэтому целесообразно оценить эффективность рекуперации на равнинных участках с целью разработки технических решений для её повышения.
Не менее важной проблемой в эксплуатации электровозов ВЛ10 является несовершенство тяговых характеристик, что приводит к отсутствию экономичных позиций для движения в зоне наиболее востребованных скоростей. Данный факт приводит к снижению технической скорости движения и как следствие к уменьшению пропускной способности участка, или к снижению энергетической эффективности электровозов в связи с необходимостью движения на
реостатных позициях.
Целью работы является повышение энергетической эффективности грузовых электровозов постоянного тока применением электронных систем, обеспечивающих улучшение характеристик в режиме тяги и электрического торможения.
Объект исследований: грузовой электровоз постоянного тока серии ВЛ10.
Предметом исследования являются электронные системы регулирования напряжения и тока возбуждения тяговых электродвигателей, повышающие тягово-энергетические показатели электровозов постоянного тока.
Задачи исследования:
обоснование энергетической эффективности применения рекуперативного торможения грузовых электровозов постоянного тока в условиях ограниченного потребления энергии;
разработка технических решений, обеспечивающих повышение энергетической эффективности режимов электрического торможения;
разработка технических решений, улучшающих тягово- энергетические характеристики в диапазоне наиболее востребованных скоростей движения;
разработка методики выбора параметров входного фильтра электронного преобразователя.
Методика исследований
В диссертационной работе использовались методы расчета электрических цепей, теория электрической тяги, теория планирования эксперимента, экспериментальные исследования и моделирование с применением компьютерных программ Matlab, Simulink.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
разработаны новые схемные решения систем регулирования тяговых электродвигателей грузовых электровозов постоянного тока, обеспечивающие повышение тягово-энергетических характеристик и защищенные патентами РФ;
разработана многофункциональная компьютерная
математическая модель «тяговая сеть - электровоз - электропотребитель» для анализа переходных процессов и оценки энергетической эффективности рекуперативного торможения в условиях ограниченного потребления электроэнергии;
определены условия эффективности применения электрического торможения грузовых электровозов постоянного тока на равнинном профиле в пределах смежных фидерных зон, учитывающие максимально допустимое удаление рекуперирующего электровоза от объекта потребления энергии;
предложено новое схемотехническое решение бестрансформаторного электронного преобразователя для питания обмоток возбуждения тяговых электродвигателей, характеризуемое только двухкратным преобразованием энергии и уменьшенными массогабаритными показателями.
Практическая ценность
Результаты работы могут быть использованы при создании и модернизации эксплуатируемых магистральных электровозов постоянного тока. По результатам математического моделирования даны рекомендации по улучшению качества переходных процессов в силовой цепи электровоза.
Степень достоверности результатов проведенных исследований подтверждена:
оценкой адекватности компьютерной имитационной модели тяговых электродвигателей на основании результатов стендовых испытаний;
сопоставлением результатов компьютерного моделирования преобразователя и экспериментальных исследований бестрансформаторного электронного преобразователя для питания обмоток возбуждения.
Реализация и внедрение результатов работы: Состоит во внедрении результатов работы при проектировании статических преобразователей для питания обмоток возбуждения тяговых электродвигателей электровозов ВЛ10 в режиме рекуперативного торможения.
Апробация работы
Диссертационная работа обсуждалась на заседаниях кафедры «Электрическая тяга» в 2009-2012 годах. Основные результаты работы прошли апробацию на: пятом и шестом международных симпозиумах Eltrans "Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте", Санкт- Петербург, 2009, 2011; научно-практической конференции "Транспорт- 2010", РГУПС, Ростов-на-Дону, 2010; расширенном заседании кафедры «Электрическая тяга» УрГУПС в 2011 году.
Публикации
Основные положения диссертационной работы опубликованы в 13 печатных работах, из них 3 публикации в изданиях, которые входят в перечень, рекомендованный ВАК Минобразования России. По результатам научных исследований получены 2 патента на полезные модели.
Структура и объем работы
