Оценка эффективности применения системы тягового электропривода с импульсным управлением на вагонах метрополитена

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

УДК 629.423.31

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ИМПУЛЬСНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ НА ВАГОНАХ МЕТРОПОЛИТЕНА

В. Д. Тулупов, Ле Суан Хонг, Чан Минь Тьинь

Выполнена оценка реальной эффективности применения системы тягового электропривода с тиристорным импульсным управлением на основе комплексного анализа расхождений ее теоретических и практических тягово-энергетических показателей. Предложен к разработке и внедрению наиболее эффективный тяговый электропривод для строящихся и проектируемых линий метрополитена в крупных городах Вьетнама.

Ключевые слова: транспортные проблемы, эффективность электрической тяги, тиристорное импульсное управление, электроподвижный состав, энергоемкий тиристорный преобразователь, балластные резисторы.

Одним из способов решения транспортных проблем в мегаполисах, таких, как города Вьетнама Хошимин и Ханой, является метрополитен. Вопросы строительства метрополитена в настоящее время во Вьетнаме стоят достаточно остро [1].

Эффективность и надежность работы метрополитена в решающей степени определяются эксплуатационными характеристиками поездов, которые, в свою очередь, определяются их соответствующими показателями (стоимость изготовления, затраты на ремонты и обслуживание, срок службы, удельный расход энергии и надёжность работы и т.д.)[2]. Наибольшее влияние на эти показатели оказывает используемая система тягового электропривода (ТЭП).

В настоящее время в связи с развитием полупроводниковой преобразовательной техники появилось много возможностей совершенствования систем ТЭП, среди них использование на электроподвижном составе (ЭПС) с традиционными тяговыми машинами (ТМ) при электроснабжении постоянным током импульсного управления (ИУ) и при электроснабжении пере-

300

менным током - плавного регулирования напряжения питания ТМ и рекуперативного торможения и на обоих типах ЭПС с коллекторными тяговыми машинами (КТМ) независимого возбуждения (НВ), а также применение бесколлекторных ТМ - асинхронных (АТМ), вентильных и индукторных

[3 - 4].

При решении вопроса о выборе типа ТЭП для ВМ необходимо использовать критерии, которые позволяют наиболее полно оценивать эффективность работы ТЭП на ЭПС в конкретных эксплуатационных условиях и, следовательно наиболее рационально использовать ТЭП, что и приведет к повышению эффективности эксплуатации ЭПС.

На основе комплексной оценки показателей ВМ с различными системами ТЭП по результатам расчетов и обработки их данных в эксплуатации показана технико-экономическая целесообразность использования НВ ТМ на ВМ с контакторно реостатным и ТИУ [5 - 9].

При первых попытках разработки системы ИУ гипотетически считалось, что переход с реостатно-контакторного на бесконтакторное тири-сторное управление коренным образом изменяет условия работы электрооборудования и управление ЭПС постоянного тока, значительно улучшая его тягово-эксплуатационные качества и повышая экономическую эффективность электрической тяги. Однако практически использование ИУ не дает тех результатов, которые ожидались теоретически.

Прогнозировавшиеся преимущества тиристорного управления

Основные прогнозировавшиеся преимущества системы постоянного тока с ТИУ по сравнению с существующей системой постоянного тока с реостатно-контакторным управлением (РКУ) следующие:

- повышение надежности электрооборудования благодаря устранению контактной коммутационной аппаратуры;

- безреостатный плавный пуск, позволяющий наряду с устранением потерь в пусковых сопротивлениях повысить среднее пусковое ускорение;

- плавное, без потерь регулирование скорости во всем диапазоне ее изменения;

- плавное рекуперативное торможение в широком диапазоне скоростей без специальных возбудителей или обмоток параллельного возбуждения ТМ;

- устранение переключений ТМ для регулирования скорости;

- возможность применения постоянного параллельного соединения ТМ, улучшающего использование сцепного веса;

- возможность повышения на 10 - 20 % среднего напряжения, подводимого к двигателям, и соответствующее повышение их мощности, а, следовательно, и скорости движения;

301

- защита ТМ от воздействия колебаний напряжения и перенапряжений в тяговой сети (подразумевалось постоянное включение импульсного преобразователя);

- простота автоматизации операций по управлению ЭПС [10].

Расхождение теоретических и практических показателей систем

ТИУ

Контактная аппаратура и показатели электрооборудования. Количество контактной аппаратуры в схемах с ДРУ несколько больше, чем при ТИУ. Однако данное обстоятельство не может бездоказательно рассматриваться как существенный недостаток ДРУ, а может быть даже отнесено к его преимуществам. Дело в том, что за счет увеличения количества контакторных однотипных аппаратов, которые необходимы и при ТИУ, решаются те же задачи, которые при ТИУ требуют использования сложных, дорогих и энергоемких тиристорных преобразователей. При замене же привода с ДРУ на ТИУ остается необходимость производить и организовать эксплуатацию всех типов контакторных аппаратов, за исключением реостатного контроллера. Следовательно, при внедрении ТИУ необходима организация производства и эксплуатации всего сложного и дорогого комплекса элементов, комплектующих систему ТИУ, при сохранении производства и эксплуатации практически всей номенклатуры аппаратов. При меньшем количестве последних, естественно, возрастут удельные затраты и на производство, и на эксплуатацию каждого отдельного аппарата.

Наличие на ЭПС с ТИУ большого количества контакторных аппаратов и специфического для ТИУ электрооборудования обусловливает рост массы и стоимости комплекта электрооборудования и, естественно, влияет на его надежность. Однако, как показал опыт, знак изменения надежности далеко не очевиден, хотя в начале создания привода с ТИУ повышение надежности считалось бесспорным и рассматривалось как одно из преимуществ ТИУ.

Надежность работы электрооборудования. В опубликованной статье авторитетного французского специалиста Нувьона [11], посвященной проблеме использования на ЭПС тяговых машин переменного тока, содержится специальный раздел о надежности. Далее приводятся конкретные данные о надежности работы полупроводников, полученные из опыта эксплуатации на французских электровозах и моторных вагонах более 500 тыс. таких приборов, из которых 350 тыс. - тиристоры. Статистика показывает, что на локомотивах с одинаковыми тяговыми машинами и механической частью при равноценном обслуживании приборы в приводах с ТИУ отказывают в 2,42 раза больше, чем в преобразователях с естественной коммутацией (выпрямителях), а интенсивность замены приборов при ТИУ в 18,7 раза выше.

Что касается массы электрооборудования, то масса электрооборудования ВМ типа И (без учета ТМ) на 23 % больше, чем у серийного вагона 81.717 с ДРУ, а у следующего по времени разработки вагона метро с ТИУ типа Им масса специфического для ТИУ электрооборудования на 14 % больше, чем у вагона И. Между тем, как показано выше, применение ТИУ требует увеличения массы ТМ при сохранении одной и той же напряженности их работы.

Таким образом, как зарубежный опыт, так и отечественные данные показывают, что замена ДРУ на ТИУ приводит к удорожанию и увеличению массы электрооборудования и не повышает его надежность.

Тяговые и тормозные характеристики. В числе предполагавшихся преимуществ ТИУ была возможность плавного регулирования сил тяги и торможения во всем диапазоне изменения скорости движения. Это имеет существенное значение для пассажирского ЭПС, особенно для метрополитена. Однако из-за ограничения минимума напряжения на выходе тири-сторного прерывателя (ТП) практическая реализация данного теоретического преимущества в режиме тяги оказалась невозможной.

В то же время в приводе с ДРУ при НВ ТМ плавное регулирование силы тяги от нуля до максимума достигается естественным путем - за счет увеличения в процессе пуска тока возбуждения от нуля до номинала. Следовательно, и по этому показателю ТИУ уступает ДРУ с НВ ТМ.

Не имеет ТИУ реальных преимуществ и в плавности регулирования тормозной силы, особенно на ВМ. Здесь для повышения эффективности тормозного процесса при высокой скорости движения в цепи якорей включают балластные резисторы с целью увеличения мощности тяговых машин за счет увеличения напряжения на их коллекторах. При использовании балластного резистора возникает проблема регулирования его сопротивления. Естественно, что увеличение сопротивления выключаемой ступени балластного резистора ведет к росту скачка тормозной силы. Поэтому желательно применить максимально мелкие ступени. Однако это приводит к увеличению числа контакторов в схеме, что противоречит основной идее ТИУ — бесконтактности управления. Поэтому и здесь нужно искать компромисс. В вагонах Им отдано предпочтение уменьшению контакторов в схеме, и поэтому балластный резистор выключается целиком. Это приводит к существенным колебаниям тормозной силы, а также к снижению эффективности рекуперации.

Импульсная рекуперация имеет недостатки н в зоне малых скоростей движения, при остановке поезда. При перечислении преимуществ ТИУ обычно указывается возможность рекуперативного торможения «практически до полней остановки». Но это утверждение не соответствует действительности. Фактически на вагонах метрополитена ток рекуперации уменьшается до нуля при скорости движения порядка 8...10 км/ч. После этого наблюдается резкое снижение тормозной системы в режиме «рео-

303

статного» торможения с самовозбуждением при открытом ТП. Это обстоятельство создает хорошо известные (по аналогичному явлению на серийных вагонах) затруднения с механическим дотормаживанием поезда.

В системе с ДРУ и НВ ТМ обеспечивается большая плавность регулирования тормозной силы. В зоне высоких скоростей она достигается за счет использования в качестве балластного резистора пусковых с имеющимися устройствами ступенчатого регулирования их сопротивления, а в зоне низких скоростей — за счет поддержания максимальной тормозной силы до скорости около 2 км/ч. Затем она линейно уменьшается до нуля в режиме «реостатного торможения с замкнутой накоротко цепью якорей машин при максимальном токе возбуждения». Это практически снимает проблему механического дотормаживания. Кроме того, при НВ ТМ имеется возможность снизить разброс нагрузок параллельных групп ТМ за счет соответствующей коррекции токов возбуждения. Это дополнительно улучшает тяговые и тормозные характеристики системы с ДРУ и НВ ТМ.

Таким образом, ТИУ уступает приводу с ДРУ с НВ ТМ и в тяговых, и тормозных свойствах.

Потребление энергии на тягу поездов метрополитена. Потребление энергии из энергосистем на продвижение поездов определяется разностью между ее расходом в тяге и возвратом при наличии рекуперативного торможения.

За прошедшее время и в России, и за рубежом созданы системы привода с ДРУ, обеспечивающие эффективное непрерывное рекуперативное торможение до низких скоростей движения за счет использования перегруппировок тяговых машин. Например, в системе МЭИ на ВМ рекуперация заканчивается при скорости около 15 км/ч, тогда как на вагонах с ТИУ она заканчивается при скорости движения не менее 8 км/ч. Очевидно, что такая малая разница скоростей незначительно влияет на сравнительную энергетическую эффективность рекуперации сопоставляемых систем привода.

Количественно различие энергетических показателей ТЭП с РУ и ТИУ, выполненных по схемам рис. 1 и 2, характеризуется кривыми на рис. 3, построенными по приведенным в [12] данным о возврате в сеть энергии при рекуперации вагонами с ТИУ типов Им и И и вагона с РУ и НВ ТМ.

Как следует из данных рис. 3, возврат энергии в сеть вагоном с ДРУ в расчетном для метрополитена режиме движения (скорость сообщения 48 км/ч, длина перегона 1,7 км) ориентировочно в 1,6 раза больше, чем при ТИУ со схемой вагона Им, имеющей нерегулируемый балластный резистор. При этом с учетом потерь энергии в устройствах электроснабжения система ДРУ (кривая НВ на рис. 3) при полном полезном использовании энергии рекуперации обеспечивает уменьшение потребления энергии на движение поездов на 8...9 % по сравнению с системой ТИУ [13].

304

Таким образом, именно в том показателе, по которому предполагалось самое большое преимущество ТИУ, оно в наибольшей степени уступает современным системам ДРУ с НВ ТМ [14 - 15].

X

Рис. 1. Упрощенная схема силовых Рис. 2. Упрощенная схема силовых цепей ТЭП с РУ и НВ ТМ цепей ТЭП с ТИУ

Рис. 3. Зависимости возврата энергии от скорости сообщения при рекуперацииАрек, выраженные в % от потребленной

на тягу энергии

Энергетические показатели рекуперации при ТИУ могут быть улучшены за счет регулирования сопротивления балластного резистора и применения в зоне работы с ослаблением поля классической рекуперации с НВ ТМ. Используя оба эти решения, можно достичь эффективности рекуперации на ВМ с ТИУ, равной этому показателю при ДРУ с НВ ТМ. Но для этого необходимо электрооборудование вагона с ТИУ дополнить поч-

ти полным комплектом электрооборудования с ДРУ, что явно нецелесообразно, да и неосуществимо по массогабаритным показателям. Но даже в этом весьма проблематичном случае будет достигнуто только равенство энергетической эффективности рекуперации при ТИУ и ДРУ, но никак не преимущество первого.

Следовательно, ТИУ с реальными параметрами существенно уступает по энергетической эффективности рекуперации системе ДРУ с НВ ТМ. При этом общую энергетическую эффективность замены ДРУ на ТИУ можно обеспечить только за счет сокращения потерь энергии в тяге. Эта цель на моторных вагонах в принципе может быть достигнута за счет улучшения динамических показателей поезда и исключения реостатных потерь. Но в связи с ухудшением тяговых и тормозных характеристик динамические показатели вагонов с ТИУ также должны быть хуже. Поэтому остается единственный резерв улучшения энергетических показателей -исключение реостатных потерь.

Заключение

Применение на моторных вагонах ТИУ вместо ДРУ с НВ ТМ и рекуперативным торможением не только не дает экономии энергии, но и ведет к существенному увеличению ее потребления. Особенно это относится к случаю полного полезного использования энергии рекуперации, которое ввиду его высокой эффективности при серьезном отношении к проблеме снижения расхода энергии на тягу поездов должно быть, безусловно, обеспечено.

Таким образом, из известных объективных данных следует, что на вагонах метро Вьетнама целесообразно применять ТЭП с НВ ТМ с энергосберегающей системой [1].

Список литературы

1. Тулупов В.Д., Ле Суан Хонг. Предлагаемая система тягового электропривода с наилучшими технико-экономическими показателями для вагонов метрополитена в крупных городах Социалистической Республики Вьетнам // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 4. 285 с.

2. Ле Суан Хонг, Тулупов В. Д. К выбору рациональных систем тягового электропривода вагонов метрополитена // Девятая Международная научно-техническая конференция (МНТК) студентов, аспирантов и молодых учёных «Энергия-2014». Иваново. 2014. Т. 4. С. 85 - 88.

3. Тулупов В. Д., Ле Суан Хонг. К выбору перспективных систем тягового электропривода электроподвижного состава // Транспортная инфраструктура Сибирского региона: материалы Пятой МНПК. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2014. С. 578 - 581.

4. Ле Суан Хонг. Оценка технико-экономической эффективности асинхронного тягового электропривода // Современные проблемы электроэнергетики: сборник статей II МНТК. Барнаул, 2014. С. 138 - 145.

5. Тулупов В. Д., Ле Суан Хонг. Сравнительная технико-экономическая эффективность вагонов метрополитена с альтернативными системами тягового электропривода // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2015. № 3 (Т. 11). С. 30 - 38.

6. Тулупов В. Д., Ле Суан Хонг. Расчет тягово-энергетических характеристик метрос различными системами тягового электропривода с помощью программы «Mathcad» // Альтернативные источники энергии в транспортно-технологическом комплексе: проблемы и перспективы рационального использования. Воронеж, 2015. Т. 2. № 1. С. 37 - 42.

7. Тулупов В. Д., Ле Суан Хонг. Рейтинг вагонов метрополитена с альтернативными системами тягового электропривода по энерготехническим показателям // Альтернативные источники энергии в транс-портно-технологическом комплексе: проблемы и перспективы рационального использования. 2015. Т. 2. № 2. С. 386 - 391.

8. Ле Суан Хонг, Тулупов В. Д. Обоснование и выбор системы тягового электропривода вагонов метрополитена // В мире научных открытий. 2015. № 7.8 (67). С. 3119 - 3130.

9. Тулупов В. Д., Ле Суан Хонг. Сопоставление эффективности систем тягового электропривода электроподвижного состава // Электрооборудование, эксплуатация и ремонт: произв. -техн. журн. М., 2015. № 9. С. 43 - 48.

10. В.Е. Розенфель, В.В. Шевченко, В.А. Майбога, Г.П. Долаберид-зе. Тиристорное управление электрическим подвижном составам постоянного тока. М.: Изд-во «Транспорт», 1970.

11. Nouvion F.F. Consideration on the use of d.c and three- phase traction motors and transmission system in the context of motive power development // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. 1987. Vol. 201. № 2. P. 99 - 113.

12. Гаврилов Я.И., Мнацаканов В.А. Вагоны метрополитена с импульсными преобразователями. М.: Транспорт, 1986. 229 с.

13. Сравнительная оценка характеристик систем рекуперативного торможения вагонов / В.А. Матюшин, Б.М. Розенберг, Б.А. Курбасов, В.А. Скачков // Улучшение энергетических показателей метрополитенов: сб. научн. тр. М.: Транспорт, 1987. С. 36 - 41.

14. Схема силовых цепей вагонов метрополитена с независимым возбуждением тяговых машин и тиристорным реостатным контроллером / В.Д. Тулупов [и др.] // Тр. МЭИ. 1992. Выпуск 641. C. 36 - 45.

307

15. Ле Суан Хонг. Моделирование системы тягового электропривода вагонов метрополитена с наилучшими энергетическими показателям // Электроэнергетика глазами молодежи: науч. тр. V Междунар. науч.-техн. конф. Т.1. Томск, 2014. С. 407-411.

Тулупов Виктор Дмитриевич, д-р техн. наук, проф., tulupovVDampei.ru, Россия, Москва, Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»»

Ле Суан Хонг, асп., tenbigstar1209ayahoo.com, Россия, Москва, Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»,

Чан Минь Тьинь, канд. техн. наук., tmchinh24agmail.com, Вьетнам, Хошимин, Хошиминский промышленный университет

ESTIMA TION OF THE EFFICIENCY OF APPLICATION OF ELECTRIC TRACTION SYSTEM WITH PULSE

CONTROLON METRO

V.D. Tulupov, Le Xuan Hong, Tran Minh Chinh

Assessing the real effectiveness of the application of the system TED with the TIC on the basis of a comprehensive analysis of the discrepancies between its theoretical and practical traction and energy indicators was made. The most effective TEP for the construction and projected subway lines in major cities of Vietnam was suggested.

Key words: transport problems,thyristor impulse control, electric rolling stock, energy-intensive thyristor converter, ballast resistors.

Tulupov Victor Dmitrievich, doctor of technical sciences, professor, tulu-povVDampei.ru, Russia, Moscow, National Research University «Moscow Power Engineering Institute»,

Le Xuan Hong, postgraduate, tenbigstar 1209ayahoo. com, Russia, Moscow, National Research University «Moscow Power Engineering Institute»

Tran Minh Chinh, candidate of technical sciences, tmchinh24a gmail. com, Vietnam, Ho Chi Minh City, Industrial University of Ho Chi Minh City